前の月の例会｜ 例会アルバム目次｜ 次の月の例会
例会速報 2018/06/17 県立新城高等学校
ＹＰＣホームページへ｜ 天神のページへ｜ 他のサークル・団体等へのリンク｜ 次回例会のご案内
授業研究：力と運動 勝田さんの発表
勝田さんは４月から職場が変わり、３年ぶりに物理基礎を教えている。授業の方針は以下の通り。
・生徒同士の話し合いと実験を基軸にした、定性的な課題中心。
・目指すべきは概念獲得＆誤概念(文献)克服 → 認知的葛藤の手法
・なるべく実験で決着がつく課題にする。
・「なぜ今それを学ぶのか」を明確にし、動機付けを意識した授業展開
・授業は毎回プロジェクターにスライドを投影して行う。
・スライドは４枚を B4 １枚にして印刷して配布
・授業の録画＋授業プリントは Web 上で生徒と共有
・削れる時間は全て削る → プリント配布、号令、板書、、、
・授業の最後に毎回「ふり返り」として、授業内容を自分の言葉でまとめ直す。それに加えて、質問などを書いても良い。
→ Google form ＋ Spreadsheet を活用
→ 単元ごとに「学習記録」として生徒に返却
・授業の冒頭に毎回２人１組で復習課題を教え合う。
・復習課題の後に、「前回のふり返りから」として、生徒からのコメントや疑問をいくつか拾い上げて紹介。
・レポート課題を出すときは必ず採点基準(ルーブリック？)を示す。
今回、久しぶりの物理基礎力学の実践にあたり、勝田さんは動機付けを強く意識した。これまでに何度か力学を教えたが、その経験を通して、勝田さんは次のような問題意識を持っている。
・運動方程式を知らない生徒に「加速度」の大切さが伝わるわけがない
・純粋に運動を解析していくのであれば 速度 → 加速度 → 加加速度…となってキリがない
・運動学 → 静力学 → 動力学 という展開は、初学者にとっては「動いている」→「止まっている」→「動いている」という一貫性のない展開ではないか？
その意識から、今年度は力から導入する力学の授業実践を行った。力がはたらく物体の運動解析を通じて、加速度を自然に定義したいと考えた。
・力の方が加速度よりも直感的な量である。
・(正の)速度は直感的に理解できる。平均とか瞬間とか、速さと速度とかはどうでもいい。
・力がはたらく物体の運動を解析することで、自然に加速度という量を導入したい
・力が加速度の理解を助けるのではないか？
授業では、PASCOのワイヤレス力学台車 スマートカートを多用し、ヤガミの定力装置も併用して、演示実験授業を展開している。写真左は台車1台に加える一定の力を2倍、3倍としたときのv-tグラフ。実験の動画（movファイル2.2MB）はここ。右は、力を一定にして、台車の質量を2倍、3倍にしたときのv-t図。速度の変化率すなわち加速度がキーになっていることが自然にわかる展開だ。
台車の力センサーの部分をチョンチョンチョンと3回つついて撃力を加えたときのv-tグラフ（写真左）。力は速度を変化させることがストレートに理解できる。
勝田さんは、授業展開では常に「なぜ今それを学ぶのか」を意識して課題を作成し、展開した。また、物理教師がよく言う「運動方程式は力学のすべてであり、初期位置と初速度を与えればその後の運動はすべて決まってしまう」と言うことが、力が一定にはたらく等加速度運動だけでは生徒に実感できないだろうと考えた。そこで、ファインマン物理学の力学を参考に、逐次的に運動方程式を解くことで、力が変化する運動の解析も行なった。運動を細かい時間間隔に区切り、その区間内においては力が一定であるという近似を行う。その方法で自作のパチンコから弾が発射される速度を数値的に求め、実験値と比較する実践も取り入れた（右上の図）。
授業に関しては、生徒からのコメントを見る限り、動機付けを意識した授業展開の手応えはあった。本当の意味で成功したかどうかは、７月に行うFCIテストの結果で判断することとする。
例会では、「以前は力から導入する実践を自分もしていたが、結局運動学からの展開に戻してしまった」というコメントが複数の方からあった。勝田さんとしても、運動学の知識が揃っていた方が、運動方程式の単元は教員が説明しやすいとは感じている。とはいえ、あまりモチベーションがない状態で速度や加速度を展開することになり、“ふるいにかける”ような印象を持っている。力から導入した方が、一貫性のある展開にはなると感じており、今回のコメントを取り入れつつ、まだこの展開を続けてみようと思っている。
勝田さんは今回の例会で発表した単元の、授業資料やスライドを下記ＵＲＬでしばらく公開してくれている。
https://www.evernote.com/l/AX6n8l7epztGcIsmpVLQql8qpzdptzO9nCk
見えないディスプレイ 森脇さんの発表
テレビやPCなどに用いられている液晶ディスプレイは、偏光方向を直交させた２枚の偏光板の間の液晶に電圧をかけることで、光を透過させて映像を表示している。森脇さんが見せてくれた「見えないディスプレイ」は、廃棄される予定だった古い液晶ディスプレイを分解し、２枚目の偏光板をはがしたものである。左の写真の右側のものがそれで、左のノートPCと同じ映像が映っているはずだが、２枚目の偏光板がないので、すべての色の光が透過し、画面は真っ白に見える。しかし、偏光板を通してみると、ディスプレイに表示された映像が見えるようになる（写真右）。
もののしくみがわかる模型 高橋さんの発表
ネットで「トランスミッションのしくみ」などを説明するアニメーションをよく見かけるが、それを実物で作った商品。シリンダー錠、番号錠、星型エンジン、変速ギアなど10数種類ある。アクリル板をレーザーカットした部品を組み合わせて作るキットになっている。
商品を作ったのは、「世界一美しい周期表」や著作『Mad Science』などで知られ「イグ・ノーベル賞」受賞者でもあるテオ・グレイ氏。日本での販売を打診された高橋さんのところにいくつか送られてきたサンプルの中から「シリンダー錠」の模型（下の写真）を紹介してくれた。
GIFとは、「GIFアニメーション」のことで、GIFアニメで作られているものを実際のメカにした、ということで「Mechanical GIFs」と名付けられた。詳しくはこちらで。
ソーラー磁気浮遊モーター 高橋さんの発表
磁石で（ほぼ）浮遊している回転子にはコイルとソーラーパネルがついていて、光を受けて回転する。ブラシがないので、どうやって極性を反転させているのか謎だが、「光のあたっている方といない方」とで切り替わっているのだろうと想像される。動画（movファイル2.5MB）はここ。
Banggoodというネット通販で購入。24ドル。海外通販としては非常に珍しい「世界中送料無料」。届いた状態では壊れていて動きそうになかったので、高橋さんは「またまた無駄な買い物をしてしまった」と諦めていたが、例会に持ってきたらなんとか動いた。これもYPCの力。品質には難ありだが送料なしは魅力。
川崎のコマから学んだこと 古谷さんの発表
古谷さんは「川崎市民ミュージアム」の1Fのショップで「かわさき名産 2018名産品」として有限会社博進堂の製品「透明こま（富士・雪化粧）」（写真左）を購入。回転させると雪化粧をしているかのような白い富士山の形が浮き出る（写真右）。動画（movファイル2.1MB）はここ。
古谷さんはそこは優れていると思ったが、コマとしての安定性と持続性の面では問題点もあると感じた。
そこで古谷さんは「自前のCDコマ」を使って同様の効果を出そうと試みたが、問題続出のため断念。ならば、ということで白の濃さを軸の部分から徐々に変化させる技のみを取り入れた「CDコマ」を作製した（写真左）。結果、残像効果を利用してより淡い雰囲気を出す為にはコマの軸を中心に星形にして色分けをすると効果的であることが分かった。また、回転中のコマの上で指を広げて手を振ると、マルチストロボ効果が得られる（写真右）。いずれも写真では表現しにくいのでぜひ自作してご自分の目で確かめて欲しい。
磁石につくスライム 高橋さんの発表
磁石を近づけると吸い寄せられて形を変え、磁石を置くと沈んでいく。スライムまたはシリコンゴム系の物質に磁性粉末を混ぜたものと思われる。
その昔、日テレの「投稿！特ホウ王国」なる怪しげなバラエティ番組で、「磁石を食う謎の生物」として紹介されたものと同類だろう。もちろん生物ではない。これ自身が磁石なのかという質問があったが、そうではないようだ。浮遊モーターと同じサイトで購入。ネオジム磁石付きで4～5ドル。
水圧・水盛り 田代さんの発表
ペットボトルの上部を切った容器の側面に押しピンで２ヶ所穴をあけたものに水を入れると、水面から深い位置の穴からは強く、浅い穴からは弱く水が吹き出る。これは容器内の水圧が深いほど大きいことを示す装置。同時に水圧が外に向かっているのがわかる。
水圧は色々な向きに働く。水の入った太い容器に、ふたをはずし、側面に穴のあいた細いペットボトル（ＣＣレモンが細くてよい） を押し込むと、外から内に向かっても水が噴き出すのを見ることができる。細いペットボトルの押し込み方で穴までの深さ、したがって水圧が調節できる。
ペットボトルを連結させる装置としてペットボトルのキャップ２つを接着し、大き目の穴で貫通したキャップを用意する。側面の穴をピンでふさいだペットボトルに水を満たし、その上にろうと状に切ったペットボトルを連結装置でつなぐ。ボトルの側面にさしてあったピンをはずし、水の噴出する勢いを記憶しておく。ろうと状の中に水を追加すると、水の勢いが強くなる。
次に、キャップにビニール管がぴったりはまる穴をあけ、約20cmのビニール管をつけてペットボトルにつなぐ。ビニール管の上まで水を満たして、下のペットボトルのピンをとる。噴出する水の勢いはどうなるか。
ビニール管の中の水は少量ではあるが、水面は高い位置にある。穴の上にある水の量でなく、穴までの深さが水圧に関係していることになる。ビニール管の水位が下がってくると噴出する水の勢いは弱くなってくるのも観察できる。
洗濯洗剤の大容量の詰め替え用の袋は、注ぎ口がねじ式になっている。その注ぎ口の内径と外径が一致するビニール管を用意する。１．５ｍぐらいのビニール管をつなぎ、袋を水で満たす。ジョイント式の床材を載せて、その上に体重を加えると、水は噴出するだろうか。
水で満たした細い注射器と太い注射器をつないで、押し合いをすると細いほうの勝ち。
数ｍのビニール管をつけたキャップを、底を切り落としたろうと状のペットボトルにつけておき、ペットボトルの口を下にして、装置全体を別の容器（キムチの容器）に
固定する。ペットボトルに水を入れるとその水面とビニール管の水位は一致する。いわゆる連通管である。（ビニール管内に気泡がないようにする）
このビニール管内の水位が一定であることを利用し、建築業で基礎工事の高さを決める作業を「水盛り」という。ちなみに「水糸」の名称はこの水盛りで印をつけた２ヶ所をピンと張る糸からきている。
パタパタホバークラフト 門倉さんの発表
学研のHPに、簡単にできるホバークラフトとして「パタパタホバークラフト」が掲載されている。構造は、段ボールやプラ段などの板にポリ袋の口をセロテープで閉じた袋を両面テープで付けて、真ん中に穴を空けただけ。これを、上から何回か落とすと、袋の中に空気が入り、それを置くと段ボールなどの重みで空気圧があがり、真ん中の穴から流れ出て空気の膜を作るので、ホバークラフトとなる。門倉さんの実験の結果、空気穴は、袋の長さの３/５程度が性能が良いとのこと。
Eテレ2355夜更かしワークショップ 門倉さんの発表
ＮＨＫＥテレが23時55分～放送している５分番組、「2355」で、金曜日は「夜更かしワークショップ」という簡単な実験コーナーがある。その中からいくつかの紹介があった
（１）磁石を粉々にしたら
100円ショップのフェライト磁石を粉々に壊し、それをポリ袋に入れる。すると磁石としての極性は失われたように見えるが、他の磁石を近づけると極性が復活する。その後、また袋を振ってかき混ぜると全体としての極性が失われる。原理は、最初は微小磁石の磁極の向きがばらばらなのだが、磁石を近づけると極性がそろうためだ。
（２）５円玉を通過する鉄球
蓋を取ったペットボトルの上に５円玉を置く。ボトルの口は５円玉より小さい。５円玉を覆うよう筒をかぶせ、上から鉄球を落とす。５円玉の穴は通らない大きさなのに、あ～ら不思議。鉄球は５円玉をすり抜けたかのように下に落ちてくる。原理は、鉄球が当たる衝撃で、５円玉が跳ね上がり、そのすきに鉄球が口を通過するのである。
（３）ガラスに書いた絵が浮き出す
ガラスに、ホワイトボードマーカーで絵や字を描く。その絵を、水にそっと入れると、ガラスから絵や字がはがれて泳ぎ始める。溶けるのではなく、絵や字の形を保ったまま漂い始めるのだ。原理は、マーカーに剥離剤が含まれているため、ガラスと塗料の間に剥離剤による膜ができているため、水がそこに入り塗料をはがすからだそうだ。
なお、門倉さんは、この実験を保育園の誕生日会のお楽しみ実験で紹介したという。
ローレンツ力とファラデーの力 夏目さんの発表
2017年11月例会での宮崎さんの質問に端を発し、『ファラデーの電磁誘導とローレンツ力はなぜ同じ起電力を与えるのか』 について夏目さんが同12月例会でしてくれた解説の続編である。
左の写真のように、磁石を動かしてもコイルを動かしてもいわゆる電磁誘導は同じように起こる。不思議なことに相対速度が同じならどちらを動かしても誘導起電力は等しくなる。右の写真は説明にあたって夏目さんが用意してくれた道具。負電荷が分布した導体板とそれに垂直な導体棒、および正電荷が分布した導体板を表している。
正電荷が乗った板は静止させておき、負電荷の乗った板と導体棒を一緒に速度ｖで右に動かすときは、動く負電荷が作る電流による磁場を、動く導体棒が感じ、その内部の電荷にローレンツ力が働く。
一方、負電荷の乗った板と導体棒を静止させ、正電荷が乗った板を速度ｖで左に動かすときは、正電荷の運動による電流と磁場はあるが、導体棒は静止しているので磁場によるローレンツ力は生じない。ところが、導体棒から見て正電荷の乗った運動する板はローレンツ収縮を起こし、電荷密度が増すので、負電荷との間に電場を生じる。この電場から導体内の電荷が力を受ける。これが先のローレンツ力と等しくなる。
絶対静止空間というものがないという前提では、両者は完全に等価でなければならない。空間の定め方によって、「磁場によるローレンツ力」と呼んだり「電場によるクーロン力」と呼んだりするが、結果として受ける力は同じなのだ。（解説はさらに次回に続く）
スポットライトで紙を燃やす 飯島さんの発表
飯島さんは、中央大学附属中学校での教育実習において、中学1年の「凸レンズのはたらき」の単元を担当する中で、スポットライトを使って紙を燃やす実験を行った。電源電圧250V、100万円を超えるピンスポットが実習校にあったので光源として使用した。
実際の授業では、最初に白い紙に光を集めても燃えないことを見せた。生徒に「どうしたら燃やすことができる？」と問いかけると、「黒色は光を吸収しやすいから、黒い紙にする！」という答えが返ってきた。それまでに学んだ光の性質の知識とつなげることができた。実験後に、「なぜ光は凸レンズを通ると一点に集まるのか」という疑問を提示し、それを解明する形で授業展開を行った。
加速度 川島さんの発表
川島さんは、携帯のＧＰＳロガー（左図）を利用し、吉祥寺―渋谷間を結ぶ井の頭線急行のｘ－ｔ図、ｖ－ｔ図を作ってみた。携帯で作ったｖ－ｔ図は速度の値にばらつきがあったので、井の頭線の速度計を録画してｖ－ｔ図を作りなおした。作ったｘ－ｔ図やｖ－ｔ図は速度や加速度の授業で利用している。加速度の授業では、電車との対比のために自動車のv－t図（右図）も利用し、加速度を比べた。
プレテスト批判 鈴木健夫さんの発表
鈴木さんは勤務校の研究冊子に投稿した論文を紹介した。
センター試験の後継の「大学入学共通テスト」のプレテストが昨年行われたが、論文はその物理のテストについての批判検討を内容としている。在校生・保護者・学校説明会で配布するものだが、ネットでの公開は控えているのでここでは例会での発表要旨だけ記載する。
生物などは傾向が大幅に変わったと聞いているが、物理のプレテストは、内容的には大きな変更はない。しかし、出題の仕方にはかなり特徴的なことがある。実験に関して具体的に考えさせたりグラフを描いて数値を読みとるような問題はよいのだが、数値計算をさせる問題が多く、それが膨大でしかも有効数字3桁まで要求される。これが物理の学力として求められることなのだろうか。その点が一番大きな問題である。数値計算を膨大にさせるような問題はやめるように声を上げるべきである。テストでは何を求め何を測るのかが常に意識しなければいけない。その点で大きな問題をはらんでいると感じる。
大学入試センターが公表しているプレテスト問題等はここ。
小学生の問題の問題点 水野さんの発表
水野さんは「小学生が解く問題の問題点」として２つの問題を取り上げた。
一つ目は、かみのき塾に来ている小学生が解いていた理科のドリルにあった「力と運動」に関する問題。「車に風をあてるのをやめるとどうなりますか。よいほうに◯をつけましょう。」という設問で、以下の２択になっていた。
１．しばらくして、車は止まる。
２．車はうごきつづける。
ここで、「慣性の法則」の立場からは正解である２を選ぶと、後の問題が解けなくなってしまう。なぜなら、これ以降の問題は、車を輪ゴムで引いたりや風を当てたりする設定で、どちらも車が強い力を受けた方が遠くまで動いていって止まるように問題が作られているからだ。
これでは子どもたちが持っている日常的な素朴概念を確信にするはたらきはしても、慣性の法則という科学的概念の獲得の妨げにしかならないのではないか、と水野さんは思った。
もう一つは、2014年10月の電通大例会でも発表された「てこの原理」に関する問題。
2014年のとき、朝日小学生新聞の記事を取り上げて、てこの支点・力点・作用点が違うのではないかと問題提起した。今回、同じ朝日小学生新聞が同じ問題を記事にしており、そこではつぎように解説していた。
「ボートに乗っている人から見ると、ボートに固定されているクラッチが支点、グリップが力点、ブレードが作用点です。こぐ人がオールをてこにして、ブレードで池の水を動かしていることになります。一方、岸にいる人から見ると、動かない池の水に入っているブレードが支点、グリップが力点、クラッチが作用点です。こぐ人がオールをてこにして、クラッチごと乗っているボートを動かしていることになります。」
前半は良いとしても、後半は「？」。「だいたい、見る視点によっててこの支点・力点・作用点は変わるものなの？」と水野さんは訴える。ブレードが水に固定されていると見ることに無理があるのではないか。みなさんはどう考えるだろうか。
大人のピタゴラ紹介 長舩さんの発表
Eテレ『大人のピタゴラスイッチ「想像力としかくい穴」』（2018年お正月に放送）の一部、あなたの想像力に挑戦！クイズ第２問の紹介。固定されていない台の斜面を小球が転がるという、問題集や入試問題でもよく見かける実験だ。
問題は３パターンあり、(1)箱から小球が飛び出さないとき（上右）、(2)箱の右の車輪脇にストッパーを置いたとき（下左）、(3)箱から小球が飛び出すようにしたとき（下右）。こんな簡単にできるならと思い、長舩さんはただいまこの台車を製作中とのこと。
二次会武蔵新城駅前「上海小吃・大勝」にて
15名が参加して「カンパーイ！」。ホスト校の児玉さんの細やかな気配りのおかげで、スムーズに例会が進み、濃厚なひとときを過ごすことができた。科学三昧の後は、中華三昧と行こう。よくこれだけの人数が入れたと思うぐらい小さな店だったが、安くてうまい！満足の一日だった。
ＹＰＣホームページへ｜ 天神のページへ｜ 他のサークル・団体等へのリンク｜ 次回例会のご案内
