高 校 物 理 水滴を利用した記録タイマー 立花学園高等学校 久 保 田 信 夫＊ 目 的 物理授業の力学分野では、さまざまな場面で速度の データを利用した授業展開が求められる。演示実験と して速度データを記録する方法としては、従来の打点 式記録テープを使用する方法があるが、記録された打 点が 1mm 以下と小さいことから測定結果を生徒全体に 見せることができず演示実験にはならないなど有効な 実験がないのが現状である。そこで、速度のデータを 簡単な道具で短時間にでき、授業の展開に沿ってデー タの取れる装置とすることや、実験の様子や、結果が 教室の生徒全体に把握できるような装置を開発してい くことを目的として本実験を考えた。 概 要 本実験は気密性の高い容器に水を入れ、ふたに管を 挿し込むと管の口の部分が 1 気圧となることから容器 に接した補助容器の水位を一定に保ち、等間隔で水滴 を落下する水滴記録タイマーを作製し力学分野での速 度計測の実験を行ない、授業で利用したものである。 記録方法として書道練習用の「水書き書道」やアクリ ル製のモノサシなどを使って記録結果を分かりやすく した実験である。 写真 2 水滴記録タイマーの全体 また、落下間隔を調節するためにエアーポンプ切り 替え機を取り付けた（以下調節バルブと呼ぶ）。利 用時には出口にカバーをして水を一時的に止めてお く（写真 3）。 教材・教具の製作方法 Ⅰ. 水滴記録タイマーの作製 1 ．水位を一定に保つために直径 5cm 高さ 13.5cm のア クリル円筒と 60mℓの薬品ビンの下部横に穴を開けて 両者を内径 2mm の銅製パイプでつなぎ（写真 1）、ア クリル用接着剤で固定し装置とした（以下水滴記録 タイマーと呼ぶ）（写真 2）。 写真 1 アクリル円筒と薬品ビンを銅管で連結している様子 ＊ 写真 3 水滴の落下間隔を調節するためのエアーポンプ 切り換え機とカバー くぼた のぶお 立花学園高等学校 教諭 〒 258-0003 神奈川県足柄上郡松田町惣領 307-2 ☎(0465)83-1081∼4 E-mail [email protected] 2．アクリル円筒の蓋に穴を開け内径 7mm のアクリル 管を刺し、フタをしっかりと閉める（写真 4）。 これにより、水中にあるアクリル管の口のみが外 気に接していることになり、この位置が 1 気圧とな る。薬品用ビンに通じる銅管にはアクリル管の口か ら連結部の水位による水圧がかかることになり、口 の開いた薬品ビンでも水位がアクリル管の口の高さ と同じになることで安定することとなる。この水位 が一定になっている様子を写真 5 に示した。 3．水滴を落下させた時の間隔をパソコンで計測して みると 0.200 ± 0.001 秒となりかなり安定した結果 を得ることができた（図 1） 。 図 1 水滴の落下間隔を計測したグラフ 4．このままの装置では落下する水滴の径が大きいこ とからエアーポンプ用の連結器（商品名プラツナギ） を取り付けた。これにより水滴径は約 6mmとなった。 5．水滴の落下間隔を調節するために 555 を利用して 0.2 秒から 0.1 秒間隔でクリック音をだす装置を図 2 のような回路で作製し水滴の落下間隔をクリック音 に合わせていくことで調節することとした。一回合 わせると、補助タンクの水位がアクリル管の口に達 するまで一定の水滴の落下間隔を保つことができる。 写真 4 フタに内径 7mm のアクリル管を取り付けた 図 2 555 による 0.1 秒から 0.2 秒間隔のクリック音を 発生する電子回路図 6．力学台車取り付け装置を使ってセットする（写真 6 ・図 3）。 写真 5 薬品ビンの水の高さと管の高さが同じになる ことが分かる 写真 6 力学台車に取り付けるための装置 図 4 実験テーブルの構造図面 Ⅲ. 記録方法 図 3 取り付け装置の図 Ⅱ. 記録の方法 1． 水書き書道による記録テープ作製 水書き書道とは習字の練習をするための用紙で、水 をつけると黒または赤になる用紙である。この用紙を 幅 3cm ×長さ 1m の紙テープ状態にして、黒板実験テー ブルの水滴落下位置に置いて使用する。さらに結果を 教室全体に見せる方法として長さ 120cm ・幅 4cm の薄 い板とフィルミラーシートを利用して図 5 のような反 射板を作製し実験テーブル上に置くことで全生徒に結 果を見せるようにした（写真 8） 。 黒板実験テーブルとして横 38cm、縦 180cm、厚さ 1cm の木の板に黒板に掛ける木製フックを組み合わせ て使用した（写真 7、図 4）。なお、テーブルの前面に 鉄製のメジャーを張ることで水滴の位置にマグネット を置き長さを測定する際に利用することにした。 図 5 反射板の図面 写真 7 黒板に掛けて実験を行なうようにセットした 写真 8 実験の結果を反射板によって見せている 2． アクリル製の 1m モノサシを利用した記録方法 1 の記録方法では複数の測定結果を同時に記録する ことができないので 1m の透明のアクリルモノサシに 替え、水滴を記録する。位置を変えることで複数のデ ータが取れる。このモノサシを OHP で投射して、打点 距離を記録する。または生徒たちにグループを組ませ て各班ごとに計測結果の分析をさせるなどに取り組ん だ（写真 9）。 2． 斜面を利用した等加速直線運動と加速度について 斜面を下る運動を解析して速度の単位時間あたりの 変化が加速度であることを求める実験を 1 と同様に行 ない、データから瞬間の速度を求め V-T グラフを書か せどのような運動なのかを考えながら単位時間当たり の速度変化が加速度であることを教える教材とした。 写真 9 アクリルモノサシで測定した結果 3． 繰り返し使用可能で手軽な記録方法とし、生徒実 験用に実験テーブルに布製ガムテープを張り、記録用 紙とした。記録された水滴は雑巾でふき取ることで何 度でも記録を取ることができる。 学習指導における実績 1． 等速直線運動の解析と速度について 物理の授業の始めに等速直線運動が取り上げられて いる。ここでは運動の解析方法を教えることを目的と して、水滴記録タイマーを導入した。黒板用実験テー ブルに水滴記録タイマーを乗せた台車をセットして実 験を行なった。 ①A 水滴の落下が一定間隔であることは 555 を使った 発信機の音から理解させた。 ②B 水滴記録タイマーを稼動状態にして、台車を軽く突 き動かして記録を取る。授業での記録を図 6 に示す。 ③C この記録から単位時間あたりの移動距離を速度と 決めることを教え、速度を計算し V-T グラフを書か せてこの運動がどのようになっているのかを考えさ せていく。瞬間の速さや平均の速さなどを教えるた めの教材として利用した。 図 6 授業で行なった等速直線運動のデータと 解析表ならびに V-T グラフ 図7 斜面の運動の記録と V-T グラフ 3． その他として下記のような実験を取り入れた。 ① A運動の法則（F=ma の関係を求める） ② B運動量保存の法則（衝突実験） ③ C運動エネルギー ④ Dその他 実践効果 ①A 実験の実践例に取り上げたように、大変手軽な実 験でありながら正確なデータを求めることができる ことから授業中の演示実験として取り入れ、単元の 目的に合った授業に利用していくことが可能となる。 ②B 本実験装置で得られるデータは、精度の高い単位 時間あたりの移動距離であることから、力学の授業 のなかでもっとも基本となるデータであり、さまざ まな単元での利用が可能となった。 ③C 電源や他の付属道具を必要としない実験であり、 過去の速度測定実験方法と比べて、手軽であり、単 純な計測方法であることから気軽に授業に取り入れ ることができた。 ④D 原理が簡単であり、従来の記録タイマーと同じよ うにデータ計算ができることから、わかりやすいと の声が生徒より出た。 ⑤E 本実験を演示実験として取り入れることで、力学 分野への生徒の理解度が高まったものと考える。 ⑥F 操作が簡単であり、一度セットしてしまえば誰も が利用できることから生徒実験をおこなっても問題 なくおこなうことが可能であった。 ⑦G 反射板を利用して測定結果を全体に見せること で、実験結果やどのような数値を求めているのか、 データを整理する様子や解析の仕方などを見せなが ら解説することができたことで、理解度の向上に役 立ったものと思われる。
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