教材・教具の工夫


簡単に製作できる教材や教具の紹介をします。


1.生徒実験のためのストロボ式水波実験装置
           東京都立上野高等学校 北村俊樹
     (物理教育第40巻第2号(1992)p.114より)

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(1)はじめに
 水波の実験ではリップルタンクに透過光を当て天井やスクリーン上に投影します。生徒は投影像を、直接肉眼で見るか、同期によって静止したものを見ることになります。この時の同期の方法として、マルチストロボ、手回しストロボ、トランジスタ・スイッチによる断続点灯の豆電球1)、 OHP利用モータ式回転ストロボ2)などがあります。  生徒実験で従来の水波実験装置には、タンクの固定台や光源・スクリーンなどの設置に大きな場所が必要であったり、光源やタンクの位置を決めることが難しかったり、同期させるのに特別な装置が必要であるという欠点があります。ここに、偏心モータと回転ストロボを一体化することで、これらの欠点を解消し生徒が自作もできる安価で構造の簡単な水波実験装置を開発しました。

(2)生徒用ストロボ式水波実験装置の製作
 本装置は、模型用モータによる偏心運動を水波の振動源とし、回転ストロボのスリットを通過した豆電球の断続光を水波に当て、A4大の小型水槽の下の白紙を投影面として観察するものです。回転ストロボ自体を偏心運動させることで、常に波源の振動と断続光が同期しており、生徒は水波を静止状態で観察できます。
 マブチモータ(RE 140)の軸に小型音量用つまみをネジどめして偏心部を作ります。これに裏を黒く塗った厚紙製スリット付き円盤を接着します。光源は3Vペンライトを使い、スリットの裏側から水波に断続光をあてる。モータの回転数はミノムシクリップの位置で調節します。
 モータによる偏心運動は割箸を通って造波球・造波板に達します。造波部分は輪ゴムで割箸に固定し、交換できます。造波球1個でドップラー効果の観察、2個で2波源の水波の干渉、造波棒で平面波の回折などを行います。
 生徒が簡単に作れるよう、部品の多くはプラスチックダンボール(ポリスチレン樹脂製)を使い厚手の両面テープで接着します。耐久性を考えるならば木製もよいでしょう。また偏心部をゴム栓やプラスチック平歯車に、光源をニップル球(2.2V)と拡散用アクリル球などにかえられます。

図 生徒実験用ストロボ式水波実験装置


 参 考 文 献
  1)平田邦男:物理教育, 25ー1 (1977) 17
  2)八木一正:理化学協会研究紀要18巻(1986)21




2.LEDを使った生徒用小型ストロボ装置
           東京都立上野高等学校 北村俊樹
     (物理教育第40巻第3号(1992)p.208より)

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(1)はじめに
 様々な物理現象をマルチストロボを使い同期させて生徒に提示すると、生徒は非常な興味を示します。しかしマルチストロボは光量の点では優れていますが、高価かつ大型であり生徒実験に使いやすいとはいえません。ここに大型LEDを用いることで、生徒が手軽に使えかつ教師が簡単に製作できる、小型で安価なマルチストロボを開発しました。

(2)製 作
 回路を図に示します。抵抗、可変抵抗、半固定抵抗、コンデンサ、タイマーIC、トランジスタ、電池(006P:9V)、LEDの8個の部品からなり、1000円以下で簡単に製作できます。タイマ用ICの ICM7555 (NE555の CMOS 版で低消費電流、各社同等品有り)をCR発振させてストロボ駆動信号を作ります。ストロボ閃光時間は半固定抵抗R2で設定し、発光周期は主に可変抵抗R1で調節します。閃光時間t1は
   t1=0.693R2C
発光周期Tは
 T=1.44/(R1+2R2)C
の式で与えられます。この信号によりトランジスタ2SA562で電源からLEDに流れる電流のスイッチングを行い、LEDの点滅をマルチストロボとして使います。発光部は直径 10mm の橙色LED( シャープ LT9510H)と緑色LED( LT9510E)を各2個ず使います。2つの色を使うことで立体感のある観察がしやすくなります。
 本装置は小型軽量、電池駆動なので生徒が目の前の現象に対して手軽に実験できます。ただしクセノン管使用の演示で使うマルチストロボに比べると、光量が小さく照射範囲が狭い。コストと作り易さからLED4個としましたが、光量が必要ならば8個程度まで並列に増設できます。また4個のLED部分を1個ずつ並列にすれば単三電池4本(6V)でも駆動できます。

図  回 路 図


(3)応用例
 1)水波の実験
 A4大のアクリル水槽に水波を発生させます。水槽の下に白紙を敷き本装置で水波と同期させてやると、白紙の上で同期像が観察できます。結像の位置はLED光を当てる角度により調節します。壁による反射波の影響は少ない。

図 水波の干渉(水槽の下の白紙に投影)

 2)弦の振動
 偏心モータと弦による定常波や、ギターの弦の定常波の観察などを行う。光量は弱いが部屋を暗室にすることで数十cm程度の距離の範囲なら観察できる。

 参 考 文 献
  1)PSSC物理
  2)藤岡・朝永・池本:物理実験辞典 621
  3)中込八郎:物理教育, 21-1 (1973) 38
  4)八木一正:日本理化学協会研究紀要,18巻(1986) 21
  5)平田邦男:物理教育, 25ー1 (1977) 17




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音の分析・合成ボード


たまきち's HomePage
1996/01/28改

 パソコン計測はいろいろな実験に使用することが可能です。しかし、パソコン実験でしなければならない、またはパソコン利用で初めて実現できるタイプの実験は少ないと思います。(天良和男さんの超音波による運動体の計測などはパソコンで初めて実現できるよい例でしょう。)
 一方、新学習要領ではパソコン計測が奨励されていますが、生徒実験に取り組もうとするといろいろな障害が待っています。費用の点、設置の複雑さ、ソフトの使いにくさなど。特に費用の点は問題です。
 ここで紹介する「音の分析・合成ボード」は、ソフトとマイク、スピーカ、インターフェース一式のセットをパソコンにつなぐだけで、中学生や高校生でも簡単に実際の音を計測しながら音を学習することができます。ハード付属のソフトでFFTやリアルタイムオシロスコープを実現しているものはまだ無いと思います。また、音(サンプリング10数Khz以上)をリアルタイムで取り扱えるインターフェースとマイク、スピーカの組み合わせは十万を優に越えるでしょう。この点では、比較的安価な部類に属すると思います。
 なお、CASE(コンピュータによる簡単な実験)の実践の過程で生み出されたもので、回路自体はシンプルですが、さまざまなパソコン実験に使える性能を持っています。




パソコン計測用インターフェース

マリス「音の分析・合成ボード」 CASE-PRN01

(株)マリス(旧東京前川科学)
ハード・ソフト開発 北村俊樹
高校理振対象品「実験測定処理周辺装置」
マリス25-5111 価格40,000円

補足:マリスは倒産したため、現在ボードを手に入れることはできません。


図 音の分析・合成ボード一式


図 音のFFT表示(カラー)


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本システムの特徴

(1)インターフェースと付属のマイク、付属ソフト「音知」「風来絵観」を使うことで、パソコンと本セットだけで音の入出力の実験を行うことができます。
  A. FFT(倍音への分解)
  B.サイン波の重ね合わせやマウスで描いて波形を合成し音としてスピーカから出力します
  B. 波形の表示・ファイルへの保存 etc.
(2)インターフェースはプリンタ端子を利用しているため、PC9801系、富士通FMR/FM-TOWNS系、DOS/V系の3機種に使用できます。また、これら3機種用のソフトが付属しています。
(3)9801系、DOS/V系ではパソコンをリアルタイム表示のオシロスコープに変えるソフト「振駆郎」が付属します。
(4)アナログ入出力ポート、ディジタル入出力ポートを持っており、音の実験だけでなく、汎用の測定インターフェースとして利用できます。
  (1)アナログ入力  1ch  DC:0〜5V、AC:±2.5V共にアンプ付き
  (2)アナログ出力  1ch  0〜2.55Vおよび スピーカーによる音声出力有
  (3)ディジタル入力 1ch  0または5Vの信号入力
  (4)ディジタル出力 1ch  0または5Vの信号出力
  この他、拡張用にアナログ、およびディジタル入力端子(modular型)が1chずつあります。



「音の分析・合成」実験の仕方

 (1)コンピュータの電源が切れていることを確認します。
 (2)プリンタの36ピン端子を計測ボードに、もう一端をパソコンにつなぎます。
 (3)マイクをアナログ入力Ainにつなぎます。
 (4)電池接続端子に006P電池(9V)をつなぎ、パソコンの電源をONにします。
 (5)マイクの入力GAIN用ボリュームを調整します。
 (6)同梱の音の実験ソフト「音 知」を起動して音の分析・合成実験を行います。この場合は音の出力はボード内蔵のスピーカを使います。
    オシロスコープとして利用するときは「振駆郎」を使って下さい。




音の実験用および波形表示用ソフト

 音の分析・合成を行うソフト「音 知」と、3次元FFT(倍音への分解)表示を行う「風来絵観」、およびパソコンオシロ「振駆郎」の概略を示します。
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A 音の実験ソフト「 音 知 (おんち)」
          ONCHI.exe(NEC PC9801用)
          FONCHI.exe(富士通FMR,FM-TOWNS用)
          VONCHI.exe(DOS/V用)
以下の機能を持った、音の入出力、分析・合成用実験ソフトです。
  (1)音の取り込み
  (2)FFTによる倍音の分解
  (3)サイン波の重ね合わせによる波形合成
  (4)音のデータファイルの保存、呼出 :一部はテキストファイルとして読めます
  (5)音の出力再生 :DA変換器が無い機種でもBeep音で音声を再生可能
  (6)音の編集、加工

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B フーリェ変換+音知支援  「 風来絵観 (ふうりえかん)」
          FUURIKAN.exe(NEC PC9801用)
          FFUURI.exe(富士通FMR,FM-TOWNS用)
          VFUURI.exe(DOS/V用)
 FFT(高速フーリェ変換)計算を行って、音の3D表示(時間、振動数、強度)を行います。「音知」のデータファイルを利用します。
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C リアルタイムパソコンオシロ 「 振 駆 郎 (しんくろう)」
          SYNCROU.exe(NEC PC9801用)
          VSYNCROU.exe(DOS/V用)
 AD変換器を使って、パソコンを電圧計やオシロスコープ、記録計として利用するソフトです。周期的な波を静止させて観察できるオシロスコープ(シンクロスコープ)の機能を持ちます。音声程度の振動数、ではリアルタイムで表示することができます。
  (1)リアルタイムパソコンオシロ:同期をとり波形を静止することも可能
  (2)ワンショット記録計    :波形を描きながらワンショットを記録
  (3)アナログ針式電圧計    :演示用大型
  (4)ディジタル電圧計     :演示用大型

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対応しているAD変換器 (PC9801系、FM系、DOS/V系共通)
 1. CASE研究会               プリンタ端子タイプ
 2. CASE研究会               RS232C端子タイプ
 3. 大阪マイコン部会              新プリンタ端子タイプ
 4. 前川科学 音の分析/合成ボードCASE-PRN01  プリンタ端子タイプ

対応しているAD変換器 (PC9801系のみ) ()内はボード製作者名
 5. 新潟NADV   (麸澤祐一)     拡張スロットタイプ
 6. 埼玉春日部東高  (鈴木 成)     拡張スロットタイプ
 7. 中村理科リカコン用           拡張スロットタイプ
 8. 前川科学パソリカ用 MIF98-10      拡張スロットタイプ
 9. パソコンによる物理計測入門(平田邦男)  拡張スロットタイプ
 10. パソコン物理計測入門 (山田盛夫)    拡張スロットタイプ



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応 用 編

A.分析・合成ボードCASE-PRN01だけで実験ができるタイプ
 A−1 音の実験
   付属マイクまたはライン入力を使って音の分析・合成実験を行う。
             ・・・・・・使用ソフト「音 知」
 A−2 パソコンをシンクロスコープに
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 A−3 パソコンを電圧計に
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 A−4 パソコンを発振器に
             ・・・・・・使用ソフト「明 鳴」
 A−5 パソコンをストップウォッチ/カウンタに
             ・・・・・・使用ソフト「明 鳴」
 A−6 マウスを距離センサにし運動解析
             ・・・・・・使用ソフト「運 知」
 A−7 パソコンを電圧の記録計に
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 A−8 任意の電圧出力
             ・・・・・・使用ソフト「明 鳴」


B.ミニプラグにセンサをつないで実験をするタイプ
 B−1 気圧の測定
  クリスタルイアフォンを圧力センサとして使う。ラフな値は測定できる。耳用のプラグにチューブをつければ延長できる。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 B−2 力・圧力の測定
  圧電スピーカやダイナミックスピーカにフィルムケース等を両面テープで張り付けて、簡単な力センサにする。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 B−3 誘導起電力
  コイルの両端をAD入力に入れて、磁石を落下させる。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 B−4 コンデンサの充電・放電の実験
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」

 B−5 反発係数の実験
  スーパーボールを落下させてマイクで衝突音を拾い、1回目の衝突と2回目の衝突、・・・・N回目の衝突の時間差から反発係数を求める。
     e=t2/t1=t3/t2=・・・・
             ・・・・・・使用ソフト「音 知」
 B−6 音速の測定
  2つのマイクを並列に接続し、音源の近くと観測者の近くに置き、時間差と距離から音速を求める。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 B−7 照度
  太陽電池を使って簡単な照度計にする。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 B−8 赤外センサ   太陽電池(単結晶/多結晶シリコン型太陽電池)は赤外線にも反応する。(電卓のアモルファスシリコン型電池は不可) これにテレビのリモコンからの赤外線や蛍光灯のパルスを向けると信号が観察できる。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 B−9 光電スイッチ
  太陽電池と懐中電灯等を使って比較的大きな光電スイッチを構成できる。時間差を読み取る。振子や速度の測定に使える。
             ・・・・・・使用ソフト「音 知」
 B−10 光による音の送出
  LEDをディジタル出力につなぎ、音の波形をon/offの1bitデータで送る。
             ・・・・・・使用ソフト「明 鳴」(対応予定)
 B−11 外部機器の制御
   LEDやストロボ、リレー、炉の温度制御など
             ・・・・・・未対応

C.モデュラー端子の+5V、または外部電源(5V程度)を用いた実験例

○モデュラー端子にはアナログまたはディジタル入力線(+と−側の2本)の他に、外部センサ用として+5Vとアース線が用意されている。これを使って、センサに電圧を与えることができる。
 またモジュラー端子の5Vを使わない場合は、外部から5V程度(単3電池3本)を供給することで、ミニプラグ入力を使用しても実験できる。
 C−1 温度
  +5V----サーミスタ----抵抗----0Vの順につなぎ、抵抗の両端をアナログ入力に入れる。サーミスタは温度によって抵抗値が変わるので、抵抗分圧によってこの変化を調べる。
             ・・・・・・使用ソフト「音 知」
 C−2 光量
  フォトトランジスタ東芝TPS601Aを使う。
  +5V------TPS601A------可変抵抗10Kオーム----0Vの順につなぎ、
       c   e
  抵抗の両端をアナログ入力(モデュラー)に入れる。
   光量、照度、パルス波形などの観察に使う。また反射光を使うことにより、心拍や脈拍の測定、回転数計(回転体に縞模様のテープをつける)、距離センサ(運動体下に縞テープを付ける)などを時間と波形の関係から調べる。光量の応用では比色計や回折強度の測定なども考えられる。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」(電圧値)
             ・・・・・・使用ソフト「音 知」(時間差)
 C−3 光電スイッチ
  フォトトランジスタ東芝TPS601Aを使う。
  +5V------TPS601A------可変抵抗10Kオーム----0Vの順につなぎ、
       c   e
  抵抗の両端をディジタル入力(モデュラー)に入れる。光ONでディジタル入力が+5Vになるよう、可変抵抗を調節する。光源にはペンライトや、アナログモジュラージャックからの+5Vを使い
  +5V----赤外LED(例 東芝TLN101A)----120オーム----0Vの順につなぎ、
  発光体にするとよい。赤外光の方が外乱似よる影響が少ない。
   例としては、振子の測定、速度の測定、回転数計、などがある。
             ・・・・・・使用ソフト「時 割」
             ・・・・・・使用ソフト「運 知」
 C−4 リードスイッチ
   リードスイッチは磁石の近接によりON/OFFされる。
  +5V----リードスイッチ----抵抗5Kオーム----0Vの順につなぎ、抵抗の両端をディジタル入力(モデュラー)に入れる。振子に磁石を付けて、振子の周期を測定する。
             ・・・・・・使用ソフト「時 割」
             ・・・・・・使用ソフト「運 知」
 C−5 波形合成
  +5V----可変抵抗10Kオーム----0Vの順につなぎ、
      左  中  右
  抵抗の中端子と右端子をアナログ入力(モデュラー)に入れる。つまみを動かすことで、任意の電圧、波形を合成し、パソコンに入力できる。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 C−6 コンデンサの充電・放電
  +5V----抵抗----スイッチ----コンデンサ----0Vの順につなぎ、コンデンサの両端をアナログ入力(モジュラー)に入れる。グラフの面積より、流れた電気量がわかる。
             ・・・・・・使用ソフト「運 知」
 C−7 光通信
  C−3の光電スイッチと、発光ダイオードを使って2台のパソコン間で光通信を行う。光電スイッチはディジタル入力(モデュラー)へ、LEDは直接ディジタル出力端子へつなぐ。
             ・・・・・・使用ソフト「明 鳴」送りだし側
                   (ただし対応予定)
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」受け入れ側
 C−8 簡単な力センサ
  2枚の2cm×2cmのプリント基板の銅板側を向い合わせて、間に導電スポンジ(カーボンの入ったIC用の黒いスポンジ)をサンドイッチにする。 2枚のプリント基板にはリード線を半田付けし、サンドイッチのまわりは、セロファンテープで軽く固定して力センサを作る。サンドイッチを押すと、抵抗値が小さくなる。これを利用する。
  +5V----力センサ----抵抗----0Vの順につなぎ、抵抗の両端をアナログ入力(モデュラー)につなぐ。ヒステリシスが若干あり、また速い現象には付いていけないが、ラフな力センサとして利用できる。
             ・・・・・・使用ソフト「振駆郎」
 C−9 放射線の検知
  ポケットガイガーカウンタキット(秋月電子通商:FAX03-3251-1779、4700円)の出力を改造して、パソコンをガイガーカウンタにする。キットのEX出力に2SC1815のベースを、またコレクタはキットの電池の+9Vへ、エミッタは10kオームの抵抗を介してアース(電池の0V)につなぐ。   エミッタとアースをディジタル入力端子につなぐ。
             ・・・・・・使用ソフト「放 知」



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付属の他のC.A.S.E.測定用ソフトの紹介

 パソコンを使って簡単にできる生徒実験用ソフトで現在以下の物があります。ことわり書きの無いものはNECのPC9801用です。

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D 運動測定解析ソフト 「運 知(うんち)」 UNCHI.exe 
 ON/OFF を調べるセンサをパソコンにつなぎ、運動物体の通過した時間を測定し波形として表示します。 測定値から、時間と距離、速度、加速度のグラフを表示するソフトです。信号 ON/OFF型センサがなければマウス左ボタンで代用できます。データはテキストファイル型で保存します。ラフな測定の場合は、マウスそのものを距離センサにして、マウス自体の運動を解析することもできます。

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E パソコン計時ソフト 「時 割(じわり)」 ZIWARI.exe
 ON/OFFを調べるセンサをパソコンにつないで時間を測定します。パソコンをストップウォッチとして利用するソフトです。
  (1)ストップウォッチ  :ラップタイム、振子の往復も可能
  (2)あなたの反応時間は?:画面表示からキーを押すまでの時間を計る
  (3)計数計、タイマー、メトロノーム

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F 放射線の実験ソフト  「 放 知 (ほうち)」 HOUCHI.exe
 秋月のGM管式放射線検知器キットの出力をマウスやプリンタ端子型インターフェースにつないで放射線を計測します。計数、表、グラフ、データの保存等を支援するソフトです。
  (1)単純カウントモード  :30秒間のカウントを数える
  (2)B.G.測定モード
  (3)連続測定モード    :連続測定でグラフ化
  (4)間欠測定モード    :一定時間休んだ後、測定しグラフ化
  (5)表・グラフ化、テキストファイルに保存

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G 共鳴実験プログラム 「 明 鳴 (めいめい)」 MEIMEI.exe
   パソコンを波形発生装置にします。
  (1)方形波発振器:  パソコンの内蔵スピーカで方形波(ビープ音)を発振。
   振動数は可変。パイプを使い共振点を探すことができます。(気柱共鳴)
  (2)Function Generator :任意波形をDA変換器を使って出力します。
  (3)パソコンを鍵盤楽器に: キーを押すとビープ音に音程をつけます。

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H 2現象用オシロソフト 「2 振(にしん)」 2SYN.exe
 2つのADコンバータを制御することにより、2現象のオシロスコープを実現します。「振駆郎」の2現象版です。

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C.A.S.E.ソフトの入手方法

 ソフトの必要な方は宛名と切手のついた返信用封筒とフロッピー2枚を下記まで送って下さい。
 また、これらのソフトはすべて、マリス「音の分析・合成ボード」CASE-PRN01に付属しています。


  C.A.S.E.は 「コンピュータを利用した簡単な実験」 
      Computer Aided Simple Experiments  の略です。

◎C.A.S.E.測定用ソフト項目名
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A 音の実験共通ソフト  「 音 知 (おんち)」     
B フーリェ変換+音知支援  「 風来絵観 (ふうりえかん)」 
C 電圧測定表示共通ソフト「 振 駆 郎 (しんくろう)」  
D 運動測定解析ソフト  「 運 知 (うんち)」      
E パソコン計時ソフト  「 時 割 (じわり)」     
F 放射線の実験ソフト  「 放 知 (ほうち)」     
G 共鳴実験プログラム  「 明 鳴 (めいめい)」    
H 2現象用オシロソフト 「 2 振 (にしん)」     
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 上記ソフトおよび本マニュアルの,教育目的の利用やコピーは自由とします.ただし、著作権は北村俊樹が保持します.

企画・プログラム製作  北 村 俊 樹
製作協力    C.A.S.E.研究会



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