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−簡易演示実験によるイメージづくり− |
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1．はじめに
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2．生徒実験として取り扱える実験
「加速度運動と張力」（力学の初期の段階で生徒実験として取り組ませている．）
<実験内容>水平な机の上に台車（補助物体をのせ質量を調整できる）を置き，その台車に糸の端をつけ，滑車を通して糸のもう一方の端におもりをつるす．その時の台車の加速度と糸の張力を測定する．静止時の張力と加速度運動中の張力を較べる実験である．
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［実験データ］
（1）おもりの質量m〔kg〕と重さmg〔N〕．
質量m ＝ 0.73 kg
重さmg ＝ 7.2 N （＝静止時の張力T0）
台車と補助物体3つの合計の質量Mは，4.0 kg である．
（2）得られた記録テープについて，任意の点を原点とし，0.1sごと（6打点ごと）の間隔を測り，台車Aの速度vと時間tの関係をグラフ用紙に書く．グラフの傾きから加速度aを求める．加速度運動中のばねばかり（ニュートンばかり）の目盛り（〔N〕）を読む．
【実験値】
加速度 a＝1.45m/s2
加速度運動中の張力 T＝6.0N⇔T0
（3）運動方程式から算出される加速度aと張力T
【理論値】
加速度 a＝1.51m/s2
加速度運動中の張力 T＝6.05N
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加速度運動中のばねばかりの目盛りを読むことは，さほど困難なことではないのでTとT0の違いは明らかにわかる．補助物体の数を増減させることで，張力の変化を観察できるので，実験のバリエーションも増やすことができる．理論的には運動方程式で加速度と張力は計算できるが，張力が変化するのを視覚的に捉えることができ，実験値と計算値が大体同じになるので生徒には好評な実験である．
3．演示実験としてイメージを持たせるための簡易実験
（1）剛体のつりあい
長さl ，質量Mの一様な2本の棒AB，CDがある．その一端Aと鉛直な壁との間，およびBとCの間をそれぞれちょうつがいでつなぎ，棒が鉛直面内で自由に回転できるようにしておく．棒の一点に鉛直上向きの力を加えて全体を水平に保った．加える力の作用点はどこか．力の大きさはいくらか． （作用点 D点からx＝2l/3 の位置.力の大きさ 3Mg/2） |
驚くことに，「ちょうつがい（蝶番）」を知らず，どのような動きをして，どのように力が加わるかをイメージできない生徒がいる．ちょうつがいの部分にどのような力が加わるかを理解させて，支える場所を変えることで2本の棒がどのような運動をするかを見せた後，力のつりあいと力のモーメントのつりあいを考えさせるとスムーズに理解できるようである．
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（2）運動量保存と重心の運動
水平な床からある高さLのところに金属の棒を水平に固定する．この棒に長さl（L>l）の軽い糸をつけた質量Mの小さなリングAを通し，糸の他端に質量mの小球Bをつける．金属棒に沿って水平右向きにx軸，鉛直下向きにy軸を定める．リングAを座標（l ，0），小球Bを原点の位置に置き，リングAが金属棒に沿って自由に動くことができるようにし，AとBを同時に静かに離す．ここで，Bが最下点を通過するときのx座標とAとBの速さはいくらか． （x座標−Ml/M+m） （Aの速さ−  ）（Bの速さ−  ） |
AとBを同時に静かに離したとき，どのように2物体が運動するか，物体系の力学的エネルギーとx方向の運動量が保存されることから考えさせる問題である．摩擦がなければ，運動は繰り返し続くはずであるが，簡易の装置では2，3回で停止してしまう（リング，小球の質量比は1：1程度で，軽いものがよい）．2，3回の運動でも運動量保存と重心のx方向の位置が変化しないことをイメージさせるには十分である．
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4．おわりに
演習問題中の現象・運動はシンプルなものが多いので，イメージすることは，物理の基本的原理，法則から考えていけばさほど難しいことではない．視覚的イメージの体験回数を少しでも多くすれば，現象・運動を推察する能力も伸びてくるものではないだろうか．
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