中学第一分野 光の 3 原色 LED を用いた簡易光学台の製作と その活用 徳島県教育研修センター 谷 中 （業績分担者） 徳島県教育研修センター 目 的 光分野の学習は中学校理科第 1 分野上で、重要な学 習内容であるにもかかわらず作図の作業が加わるなど 理解が難しい現状がある。さらに、この光分野の基本 的な実験に必要な光学台は高価で大きく、各学校とも 多くの台数を保有していない。そこで、生徒一人一人 に直接体験をさせることで光分野に興味・関心を持た せ、光の進み方やレンズの性質を理解させることを目 的として、安価で小型の簡易光学台を試作し、その授 業実践を行った。 概 要 本体はアクリル板を L 字にすることで、光軸を安定 させながら、各ユニットの伸縮性を向上させ、光源と レンズ、スクリーンの距離を測定しやすくした。そし て光源に 3 色の高輝度 LED を使うことで、通常の実験 室でも十分観察できる光の量を確保し、この 3 色を L 字に配置することで、十字スリットの物体を用いなく とも像の上下左右の反転をはっきりと確認できるよう にした。 さらに、発展的な学習につなげるために、3 色の LED を光の 3 原色にすることによって、色の重ね合わ せによる白色の発色を確認できるようにした。また、 この簡易光学台と光電池を用いて近距離の光通信を可 能にした。 藤 川 英 昭＊ 正 樹＊＊ ・スクリーンユニット用（C1 ： 82 × 60mm、C2 ： 78 × 20mm） ２．光源は徳島県阿南市の日亜化学工業より提供され た光の 3 原色の LED を使用する（赤：波長 626nm、 光度 375mcd、緑： 522nm、2271mcd、青： 469nm、 570mcd、直径 5mm）。平成 15 年 8 月から日亜化学 工業（TEL 0884-22-2311）で販売される。 ３．凸レンズは薄くて軽く安価なシートレンズを使用 する（45mm 角 42 区画、焦点距離約 9cm、ケニス、 1,600 円） 。 ４．スクリーンは両面からの観察を可能にし、像の大 きさを比較するために、5mm 間隔の方眼を記入し たトレーシングペーパーを使用する。 ５．目盛りは 30cm 物差しをコピーした紙製メジャー を使用する。 ６．アクリル用接着剤には塩化メチレンを使用する。 ¿．製作方法 １．光源ユニットは、アクリル板の A1 と A2 の中央を 90 度折り曲げ、アクリル用接着剤で接着する。これ にアクリル板 A3 を接着する。底面奥に紙製メジャ ーを糊で貼り付ける（写真 1 − A）。 教材・教具の製作方法 ø．準備物 １．簡易光学台本体は透明アクリル板を使用する。： 厚さ 2mm ・光源ユニット用（A1 ： 90 × 300mm、A2 ： 86 × 20mm、A3 ： 47 × 47mm、LED を挿入するため に直径 4.9mm の穴を 10mm 間隔で中心・上方・左 方・右方下の 4 カ所にあけておく。 ） ・レンズユニット用（B1 ： 86 × 300mm、B2 ： 82 × 20mm、B3 ： 20 × 20mm） 写真 1 − A 光源ユニット ２．レンズユニットは、アクリル板の B1 と B2 の中央 を 90 度折り曲げ接着する。これにシートレンズと B3（右端に光軸の垂直方向のずれを防ぐ安定板と して）を接着する。底面奥には紙製メジャーを糊で 貼り付ける（写真 1 − B）。 （注）谷中英昭研究員は平成 15 年 4 月 1 日付で徳島県教育委員会に転任された。 ＊ たになか ひであき 徳島県教育委員会 指導主事 〒 770-8570 徳島県徳島市万代町 1-1 @（088）621-3140 E-mail [email protected] ＊＊ ふじかわ まさき 徳島県教育研修センター 研修主事 〒 770-0941 徳島県徳島市万代町 5-22-9 @（088）622-2733 1 ６．送信ユニットは、送信側ラジカセのイヤホン端子 からの導線を、簡易光学台の LED と電源の接続部 分に並列に接続する。受信ユニットは、光電池（最 大電圧 3.45V、大和科学教材研究所、350 円）をス クリーンユニットにセロテープでとめる。その導線 は、受信側ラジカセのマイク端子に接続する（図 1）。 写真 1 − B レンズユニット ３．スクリーンユニットは、アクリル板の C1 と C2 の 中央を 90 度折り曲げ接着する。これにトレーシン グペーパーを接着する（写真 1 − C）。 写真 1 − C スクリーンユニット ４．光 源 は 、 各 L E D に 過 剰 電 流 の 防 止 の た め に 1/4W51 Ωカーボン抵抗をはんだ付けし、接触防止 のために絶縁チューブを通す。そして、これらの LED を A3 にあけた穴の中央に赤、上方に緑、左方 に青をそれぞれ挿入する（写真 2） 。 図1 光通信の説明図 学習指導方法 ø． 「カメラの原理」の実験での使用 レンズユニットとスクリーンユニットで風景の像をス クリーンに投影させ、このときのレンズとスクリーンの距 離を測定し、シートレンズの焦点距離とする（写真4）。 写真 2 光源部分の拡大図 ５．電源は各 LED の最大定格電流が 50mA であり、 これ以内で高輝度を確保するために、単 3 乾電池 3 個の直列接続 （電圧は 4.5V 以下） で使用する （写真 3） 。 写真 4 風景の像をスクリーンに映している様子 ¿．光学実験での使用 写真 3 簡易光学台全体 2 １．先に求めた焦点距離をもとに光源とレンズの距離 を変えながら、それぞれの場合に像のできるスクリ ーンの位置と像の大きさ、上下左右の反転の様子を 確認させる（写真 5、6）。 ¬．光通信の実験での使用 送信側ラジカセの音を受信側ラジカセのスピーカー から取り出す演示実験をする。ラジカセの台数を多く すれば各班ごとに実験できる。 実践効果 写真 5 LED を点灯させた簡易光学台 試作した簡易光学台を使って中学校 1 年生「理科」 の授業実践を行った（写真 9）。その結果、 ・各自で工夫しながら実験をする中で、生徒の光分野 に対する興味・関心を高めさせ、凸レンズのはたら きの理解度を大幅に高めることができた。 ・光通信などの発展的な学習は、次の「音」などの学 習への興味を持たせ、科学を探究しようとする意欲 を高めることにつながった。 写真 6 光源と像の位置関係 ２．簡易光学台を前方へ 90 度倒し、赤 LED が光軸の中 心になるように「光の進み方シート」の上に置く。そ のときに、光源と像の関係が作図によって求めた光 源と像の関係と一致することを確認させる（写真7） 。 写真 7 「光の進み方シート」上に置いた簡易光学台 ¡．光の色の重ね合わせ実験での使用 焦点をずらした際に光の色の重ね合わせを確認させ る（写真 8）。さらに、赤 LED を右下の予備穴に挿入 するとそれぞれの 2 色ごとの重ね合わせをより明瞭に 観察できる。 写真 9 1 人 1 台で実験している様子 その他補遺事項 本簡易光学台の試作は地元の日亜化学工業との連携 により進めることができた。LED の提供と御助言を 頂いた佐藤進氏、犬塚智昭氏に深く感謝申し上げたい。 参考文献 1）竹内敬人ほか：中学校理科教科書「理科 1 分野上」， 啓林館，16、20、113（2002）． 2）福山豊：最も簡単な光通信と赤外線通信「たのし くわかる物理実験事典」，東京書籍，374（1998） ． 3）谷中英昭：徳島県教育研修センター長期研修生研 究報告書，徳島県教育研修センター，111（2003） ． 写真 8 色の重ね合わせをした様子 3
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