よせなべ物理143号

よせなべ物理サークル会誌143号

(旧 教材・教具を工夫する会)

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第143号抜粋

1.143回例会の案内 


2.次回以降の予定


3.撃力観察装置「プラバネくん(仮称)」製作記

      埼玉県立北本高等学校 石井登志夫

 一瞬のうちに終わる衝突。その結果である運動量の変化ば容易に見ることがてきますが、衝突中の撃力の大きさは分かりにくいものです.ふつう、カはバネ秤、台秤など、弾性を利用して親察します。しかし衝突は一瞬なので、その瞬間に目盛りを読みとることは不可能です。どこまでパネか歪んだか知るためにパネ秤の軸に板目紙をつけておく方法を関口知彦先生(埼玉県立上尾沼南高校)に教わりました(図1参照)。関口先生は台車に市販の押し引きバネを固定し、この板目紙によって撃カを測定していたのでした。私も追試してみましたが、購入したのが別のメーカーの押し引きバネだったせいか、押し引きの棒の摩擦が意外に大きく、結果のばらつきが多くなってしまいます。また、ちょうど正面からまっすぐに衝突させないとうまく当たらなかったり、やはり棒が秤の本体に引っかかったりして、良い結果か出ません。簡単なものだから作ってみようと思って、同じような体裁のものを作ってもみたのですが、やはり衝突の際に秤の軸がぶれてまっすぐに押し引きされず、摩擦が効いてしまいます。どうもすっきりと結果が出ないのてすが、去年まではこれでごまかしなから授業に使っていました.

 今年も衝突の学習が近づくにつれ、どうしたものかと思い悩みつつ、帰宅途中の私はふらふらと島忠ホームセンターに立ち寄ったのでした。特に当てもなく、お店のフロアをさまよいなから何かヒントになるものはないかと探しました.転勤1年目の私は特別な仕事もないのて、放課後は早々に退散し、このように徘徊している余裕が結構あるのです。そこでふと、「つるまきパネではなくて板パネを使ってみてはどうだろうか。」とのひらめき。形もすぐに浮かんで、早速頭の中で(大雑把に)図面を引き、(大雑把に)材料を買い込んて帰ったのです。後で「ヒントになったのは何?カ学滑走体?」などと質問されたりしましたが、そのとき自分が何を考えていたかなんて覚えているものではないですよね。翌日は空き時間がくるのももどかしく、1時間で作り上げて実験してみました.我ながらまずまずの出来映えで早遠あちらこちらで見せびらかして歩きました.そこでおだてられてこんな文章を書いているというわけです。それでは作り方です。

【材料】
 小型力学台車用タイプIIB 1セツト(2個分)
 0.5mm厚塩化ビニル板 80mmx450mm 2枚
 金折(3っm厚程度のがっちりしたもの)
 4mm X 40mmビス(皿頭) 2本
 4mm x 20mmビス(丸頭) 4本
 4mmナット6個、ワッシャ6枚、4mm蝶ナット2個
 ハト目、ストロー2本、板目紙少々

【製作】
(1)塩ビ板をわっかに丸めて4cm程重ね、ハト目を何個か使ってしっかり止める。また、図2のような位置に予め穴をあけておく,

(2)直径4mm−Aの方の穴に皿頭のビスをしっかりと止める,(頭が飛び出さないようにする。図3)

(3)直径4mm−Bの方の2つの穴を使い、金折にビスでしっかり固定する(図4)。

(4)金折は蝶ナットを用いてカ学台車に固定する。(図7)
(5)板目紙を3cm角程度に切り、真ん中に4cmの穴をあける。その中をストローが滑らかに動くように少しずつヤスリで穴を広げる。その際、「手で動かぜばほとんど抵抗なく動くけど、手を離すとその場に摩擦で止まっている」程度に調整するのかポイント.上手くできるまて作りなおしましよう。(図5)

(6)板日紙を通したストローを、片端を直径6mmの穴にいれ、他端を皿頭ビスに差し込む。ビスの方にほぼキッチリとはまるはずですか、緩い場合などはテープを巻くなどして調整します。保守、収納、運搬などを考えた場合、ストローは取り外せるようにしておいた方か便利だと思います。
(7)板目紙を後ろ側へぴったり寄せ、前から適当にたたいてみる。図6のように板目紙がカに応じてずれて止まっているようなら出来上がり.





 実は景初に作ったのは大型台車用の物でした(図7タイプI)。ところが得意げに見せびらかしていると、「1つ欠点があるね。いまどきこんな大きい台車は使ってないよ」と言われ、いま主流の小型台車用に関発したのがタイプIIAです。横向きにしたのは、「その方が生徒からよく見えていいんじゃない?」との意見をもらったからです。これはしばらくは調子よく使っていたのですが、そのうちにいくつかの欠点が露呈してきました。1つはバネが自重でだんだん垂れ下がり、ストローが引っかかるようになってしまったこと。もう1つは大きな衝突のときは、バネがたわんだときに床にぶつかってしまうことです,結局向きだけ元に戻すことにしました(タイプIIB)。
【使い方】
 私は特に作用反作用の検証実験に使っています。具体的には次のような手順で進めます。
 (1)左右から対等にぶつける。
 (2)片方を止めておいて、他方をぶつける。
 (3)片方を固定しておいて、他方をぶつける。
 (4)片方を逃げさせて、他方が追いかけていってぶつかる。
 (5)質量が小さい物に大きい物がぶつかる.
 (6)質量が大きい物に小さい物がぶつかる。
 それぞれぶつかる瞬間の押し合うカの大きさを予想させ、確かめの実験を行います。どのクラスでも面白いくらいに引っかかってくれました。力の結果である運動の変化の方に目が行ってしまうためでしょう。それが、この実験をきっかけに、カそのものとその結果を区別するようになるようてす。

 また、ここで必ずと言っていいほど引き合いに出されるのが大型車と軽自動車の衝突です。「だけど先生、交通事故ならぜったい軽自動車の方が壊れるに決まってるじやない.」と言う声が大抵聞かれます。「じゃ軽自動車の方か大きい力を受け手ているのかね?」と逆に問い返すと、「硬さが違うんじやないかな。」と言う意見も出てきます。そうだろうね、と言って簡単にまとめてしまっていますが、できればここも実験で確かめられないかな、と考えています.具体的には、厚さの違う塩ビ板で同じ装置を作っておいて、衝突実験を行います。当然歪みは異なります.次に、それぞれを台秤の皿に押しつけて、撃カの大きさを測定します(図8)。歪みは違うけど、受けた力ば同じだということが確かめられます。また、カと歪みは違うんたという確認にもなると思います。
 このように定量的な扱いにも利用できます。いずれは運動量とカ積の実験にも使えないかと思っています。また他にもアイデアがありましたら、お聞かせください.

4.簡単につくれる「X線スコープ・光の万華鏡」

     青森県立弘前中央高校  野呂茂樹  

 「たのしい授業」1991年1月号の市原千明さんの、鳥の羽根とフィルムケース用いた光の回折・干渉現象が観察できる「スケルトン」を、小学生対象の理科工作教室で実施してみました.非常に子どもたちば関心を示してくれましたが、低学年の児童にはちょっと製作が難しい面もありました.

 ここでは、製作が容易な紙コッブを利用したバージョンを紹介します。(金沢錦丘高校 竹中功さんのアイデアを基にしました.)
「X親スコーブ」「光の万華鏡」とも図1のように紙コッブの底に穴を聞け、烏の羽根や透過型の回折格子フィルムをはりつけたものです。
 暗箱なしの回折格子を使った分光器ですが、これだけでも十分使用に耐えます.

 工作の工夫面などを述ぺます。
 羽根は、募金するとくれる赤い羽根、緑の羽根が手に入れやすいでしょう.


「X線スコーブ」(図2)
 1)紙コッブの底の中央に1cm平方程度の穴をカッターナイフで開けます。
 2)底を墨汁やマーカーなどで黒く塗りつぶします。
 3)2cm平方程度の黒い紙にパンチで穴を開けます。(黒い紙に両面接着テープをはっておくと便利です.):
 4) 3)の黒い紙に羽根の櫛状になっている部分をはりつけます.
 5) 4)の羽根のついた黒い紙をコッブの底
に両方の穴が重なるようにはりつけます.
 6)手の指をのぞいてください.指の骨?が見えるでしょう。



「光の万華鏡」
 「X線スコープ」の鳥の羽根の代わりに、透過型回折格子フィルムを用いたものです。フィルムは、東急ハンズ「クリアホログラム」(直交回折格子型で十字形に滑が、1mmにつき約200本入っている。60cm x幅1mで2,500円。10cm単位で購入可)、光洋(TEL03−3213−1571)「回折格子レプリカフィルム」(1mmに905本の溝、15X15cm3枚組で2,000円)などが利用できます.
 紙コップの底の穴の大きさは2cm平方程度、フィルムの大きさは3cm平方程度にするとよいでしょう。セロファンテーブでとめると簡単です.
 強い光(壊中電灯、車のボディなどからの反射光、ろうそくの炎、夜のネオンや車のライト、信号機や花火、ガソリンスタンドの照明など)、をのぞくときれいな模様を見ることができます。2個作って重ねて一方を回しながら見るともっともっときれいな模様を見ることができます。

「簡易回折格子の自作」
 無色透明なプラ板(ペットポ上ルやカセットテープなどの透明なケースなどでも可)を、できるだけ目の細かい紙やすりで1回だけ軽く引っかいて、たくさんの溝をつけます。鳥の羽根や回折格子フィルムの代わりとして、利用できます。絹のハンカチやストッキングでも試してみましょう。

5.エコー・ホーンをつくろう

     青森県立弘前中央高校  野呂茂樹

 糸電話の代わりに、ばねを用いるとエコーがかかった声になることはよく知られており、「青少年のための科学の祭典」などでは、ペットポトルに組み込んだものが紹介されています。
 ここでは、小学校低学年でも製作可能なものを紹介します。(以下のものより小さいとつくりにくいし、効果もはっきりしないようです。)

「準備するもの」
 ・紙コップ2個 
 ・色工作用紙1/2大 
 ・針金(鉄・22#)1.5〜2m
 ・両面接着テープ
 ・丸棒
 ・丸パイブ(直径2cmくらいのもの。水道用塩ビ管など。鉛筆でも代用できなくはないが効果が弱まるようです。)
 ・ペンチ

「つくりかた」
 1)針金を丸棒などに巻いてばねをつくります.密に巻いて必要な長さに伸ばして使います。(使用時のばねの間隔は3mmていどを目安にします。)
 2)紙コップの底にばねの先端を(中心より少しずれた位置に)差して回すと、ばねはコップの中に入っていきます.これをセロファンテープで固走します。
 3)色工作用紙を切断し、両面接着テープを使ってコッブに巻きます。(紙は巻きやすい方向とそうでない方向があります。注意して必要な大きさに切断してください。)



 コップに口をつけ大きな声で歌ってみましょう。お風呂でのときのように工コーがかかった歌声になるでしょう。

6.エネルギーやエントロピーに関する参考資料の紹介

     上尾東高校  西尾 信一  97.5.19

埼玉県立浦和第一女子高校 湯口秀敏様

 例会で依頼されたエネルギーやエントロビーに関する参考資料で、手元にあるものをご紹介します。

押田勇雄:人間生活とエネルギー……エネルギーは不足しているか(岩波新書.1985)
 熱カ学や資源物理学についての議論はほとんどないが、エネルギー問題に関する一段向けの名著だと思う。エネルギー問題はエネルギーを使う速さすなわちパワーの問題であること、エネルギー資源統計に8露わに現れない非商用エネルギー、核分裂や核融合の利用への懐疑的な見方、エネルギーば直接のの燃料としてだけでなくモノの生産・消費に隠れているという工ネルギーコストの視点、資源エネルキーと再生エネルギーは単純に比較できないことなど、ためになる話しが多い。オススメである。

押田勇雄:「エクセルギー」のすすめ・・・・・・熱カ学の革命がはじまっている(講談社ブルーバックス,1988)
 「有用さではかったユネルギー」であるエクセルギーについての平易な解説書。自由エネルギーやエントロビーとの関係も書かれている。

押田勇雄:太陽エネルギー(NHKブックス,1981)
 太陽エネルギーの流れや利用について、エクセルギ一の視点で書かれている。やはり名著と思う。太陽エネルギーの光の強度スペクトルのクラブのピークは、波長あたりのエネルギーで考えるか振動数あたりで考えるかで異なり、太陽スペクトルの代表波長(もしくは振動数)はこの2つの見方で変わってくるという議論がわり、これは私にとってば初耳であった。

押田勇雄:自然エネルギーの利用(コロナ社,1990)
 プロジェクトサイエンスシリーズの11冊。上記の著者のエッセンスがコンパクトにまとまっていて、手頃である。前記の太陽スペクトルの代表波長の話しも出てくる.

杉本大一郎:エントロピー入門・・・・・・地球・情報・社会への適用(中公新書,1985)
 光合成において低エントロピー資源になっているのは、水ではなく太陽光であるとしている。もともとこの本は、槌田敦の「資源物理学」に対する批判がきっかけになっているようである。槌田氏に言わせるととこれば間違いだらけの本ということで、槌田氏と杉本氏との論争書簡などの資料のコビーも槌田氏にもらったが、もちろん一方の話だけではどちらが正しいのかはわからない(私にはそれを批判するほどの熱カ学の理解がない).後日、教科書を共同執撃している東大の素粒子の先生に聞いた話しでは、その論争の分は杉本氏にあるようだとのことだったが。

白鳥紀一、中山正敏:環境理解のための熱物理学(朝倉書店,1995)
 実はまだほとんど読んでいない。大学教養向けの本,光合成の項は、エントロピー廃棄のための水の役割の大切さを書いているが、光合成の低エントロビー資源が太陽光ではなく水てあるとは書いていないようである。

 なお、浦高時代に授業プリントでエントロピーについてまとめたものがありますので、そのコピーも同封します.これはかなり槌田氏の著作を参考にしました。
 それではまた。

7.HとBについて

     埼玉県立和光国際高等学校  物理科 千野 司  97.6.28

 5月10日にAPEJの作業斑の主催で行われた早大での研究会に参加しました。そこでの「HとBの話」に関連して、考えたことを簡単に書かせて頂きます。

 高校物理での物理1の取扱いを、力学分野と電磁気分野で比べてみる。力学分野で扱う物理量は、変位、時間、質量の基本単位と、速度、加速度、力、エネルギー、運勤量、力積、仕事率等の組立単位である。変位、時間、質量は高校物理で学習する前から馴染み深い量で、その単位m、s、kgも日常的に用いている。また、基本単位と組立単位の関係も整理できていて理解し易い。
 これに対して、電磁気分野で扱う物理1は、電気量、電場、電庄、電流、電カ、磁場、磁力等であるが、力学分野に比して馴染みのないものが多い。かろうじて電圧V、電流A、電力Wは知られているが、m、s、k 8ほどではない。また、言葉の上から力学分野の物理量との関係も誤解を与え易いものもあるし、今回議論になったように、高校物理では「磁場」という概念を表すのに「H」と「B」という2つの物理量が対応する場合もある。このように、物理量を表す言葉の選び方や、概念に対応する物理量の選ぴ方に問題のある点がある。そこでそれらの点を思いつくままに挙げ、どう取り扱ったら良いかを考えてみた。

 1.二種類の電気量を区別するのに「正」・「負」を使うこと。
 生徒はこれを数学の記号の「+」・「−」と誤解する。つまり、「負」と「負」をかけて「正」になる、とか、同量の「正」と「負」をたすと「0」になる、とかいったたぐいである。電気量は保存量なのであるから、「正」「負」の電気量は各々個別に保存ざれる。ということがわかりにくい。
 さらに「クーロンの法則」の式の解釈にあたって誤解を生じる場合がある。生徒のなかには
  F=−kQlQ2/r2のように「−」をつけ、電気量を「+」「−」として計算し、式全体で「+」なら斥カ、「−」なら引力として理解してる者がいる。この式だけの解釈なら矛盾はないが、電気量をベクトルと誤解しやすい点で間題である。
 そもそも電子の持つ電気量を「負」としてしまったことも誤解のもとで、「電流の方向」と「電子の流れの方向」が逆になってしまった。物理的には移動しているのは電子なのであるから、「電流」という抽象的な概念も事実と一致させた方がよかったのではないか。外国の教科書等では、電磁誘導の説明にあたって「電流の向き」は明示せず、「電子の流れの方向」で統一しているものもみられるが、その方が生徒にとっては理解しやすいかもしれない。
 いっそ、磁極の「N」「S」と同じに考え、電極も「A」「B」のように名付けた方がよいかもしれない。ただし、実現には無理がある。

 2.「電気力」と「磁気力」と「磁力」は「力」、「電力」は「仕事率」である。
 これは英語では区別されているので、翻訳する時に配慮されなかったためと考える。元々、「F0RCE」と「P0WER」を、ともに「力」と訳すところに誤解がある。さらに、「磁力」と「電力」が理論体系上別種のものであることが誤解を増幅している。面倒でも「電気の力」「電気の仕事率」と説明した方がよいか。が、「電力」という言葉はかなり一般的に使用されているので、よけい、混乱するか。

 3.電気量の単位Cは基本単位でなく、電流の単位Aが基本単位である。
 多くの教科書では電流より先に電気量がでてくる。電磁気の体系から言ってそのほうが自然ではあるが、SIに関しては誤解の元になる。電場N/Cや電位J/Cは電気量の単位Cの組立単位として説明した方が概念が分かりやすい。

 4.「磁場」という概念を表す量が「H」と「B」の2つある。
 今回の研究会での議論の対象であった。高校段階ではBだけでよいというのが大方の憲見であった。私も同憲見である。が、「B:磁束密度が磁場の大きさを表す」というと、「H:磁場」なるものが他に存在し、かつ教科書にも記載されている以上、言葉の上で混乱する。高校物理の理論体系上はBを採用した方がよいが、言葉の混乱を逮けるためにはHの方がよいかもしれない。

 5.HとBの由来が明かでないこと
 電場E(Electoric field)や電流I(Intensity)等の由来は、ある程度明白である。が、磁場Hや磁束密度Bの由来を私は知らない。この手の記号で人名を使用している例はないが、Hは磁場のcgs単位系OeのH.C.0ersted(1777〜1851デンマーク)から、また、BはBiot‐Savartの法則のBiot Jean Baptiste(1774〜1862フランス)からではないか、との指摘もあったがいまひとつ納得しがたい。正確なことをこ存知の方がいたらぜひ教えて頂きたい。知らなくても別に困りはしないが、気になり出すと「夜も眠れない」のである。

 6.「コンデンサー」と「抵抗」と「コイル」のこと
 この3種の素子に関する用語も整理してみるとまぎらわしい。何故、「抵抗」だけは漢字なのか。「コンデンサー」「レジスタンス」「コイル」と、すべてカタカナにした方が対応しやすいのでは。また、「容量」「抵抗」「インダクタンス」もそろっていない。それだったら、「キャパシタンス」「レジスタンス」「インダクタンス」のままの方が覚え易い。漢字にするなら、「電気容量」「電気抵抗」「電気誘導」とでもなるのか。それとも「容量」がコンデンサーの大きさを表す量なのだとしたら、「電容量」「電抗量」「電誘量」とでもしたほうがいいのかもしれない。だったらいっそのこと素子名も「キャパシター:電容器」「レジスター:電抗器」「インダクター:電誘器」とするときれいに揃うか。

 言語と科学はお互いに密接に関連して発達してきた、という話を以前間いた。英語でF0RCEとP0WERが区別されていることじたい、昔の人が別の物理量であることを認識していたからかもしれない。また、アラビア数字の発明によって数学が飛躍的に発達し、漢数字を使っていた国ではその分不利であったとの話も間いたことがある。
 電磁気学は言語の体系がかなり固まってから発達した分野である。このため、新たな概念を、それまでにあった言葉の中から、無理失理に引っ張ってきた形跡がある。もちろん、理論体系それ自体理解すればよいのではあるが、言葉を使って学習する以上、紛らわしい用語があれぱ混乱するのは当然である。さらに、逆手に取って、紛らわしい用語を解説することによって電磁気分野の学習の助けとなればよいのであるが、未熟な小生の授業では思うに任せないのが現状である。少なくとも、生徒の誤解を助長しないよう、気をつけたい。

8.生徒実験:「レンズの焦点距離を測る」

8.本の紹介 ガリレオ工房の身近な道具で大実験

   滝川洋二、石崎喜治編著
   大月書店 定価1300円+消費税

9.マジカル科学「破れぬ紙 食塩が力を分散」

  1997.6.24 東奥日報 その14
  省略

10.第133回例会の内容

 <期日>6月28日(土)15:00〜18:00
 <場所>浦和第一女子高校 物理実験室
 <参加者>石井登志夫(吉見) 岸澤眞一(越谷総合抜術) 鈴木成(春日部東) 千野司(和光国際) 徳富英雄(豊島区立・朝日中学) 野原忠英(春日部東) 増田益(巣鳴) 湯口秀敏(浦和一女) 今野雅崇(県・広聴広報課)

 く内容>
(1)HとBについて8ぺ一ジに掲載
(2)大気圧に関する実験 徳富先生
 塚本栄世先生(神奈川県立秦野南が丘高校)からいただいたビデオ1994.3.26〜4.6NSTA、ボストン科学博物館で紹介されていた実験を見て、身近な材料で簡単にできないかと思って色々工夫した結果。





(3)撃カ観察装置の改良版 2ページに掲載
(4)加速度センサー 鈴木先生より8月の例会で詳しく紹介予定,
(5)その他

 ***97年度;年間通信費 1、000円又は80円切手13枚***
   送 り 先;〒336 浦和市本太 1ー33ー6
   郵便振替;00150−8−560437 加入者名;湯口 秀敏
 <<連絡・問い合わせ先;電話 048ー881ー2782>>
 サークルニュースの抜粋、要約、転載は北村が行いました。ニュースの原文・図など詳しい内容を知りたい方は、直接湯口先生まで連絡をとって下さい。

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