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理科

安価にできる生徒実験の実践例-物体の空中衝突-

大阪府清風高等学校 木田 忍

背景

「物体の運動」は,物理を学習する生徒たちが最初に学ぶ分野であるため,授業の内容や印象はとても大事であり,その後の物理の学習に計り知れないほど大きい影響を与える。なぜならここでの学習で楽しさを感じてくれると,子どもたちは物理に対し苦手意識を持つことなく,物理そのものを好きになってくれる場合が多いからである。逆にこの初期段階で苦手意識を持ってしまうと,物理アレルギーになってしまう危険性がある。こういった意味において,「物体の運動」での授業展開や実験内容などは,とても大きな意味を持つので慎重に取り組まなければならない。

今回は,「物体の空中衝突(かつてはモンキーハンティングと呼んでいた)実験」を取り上げて考えてみた。空中衝突の現象は初学者にとって,とても興味深い不思議な物理現象であり,また物理的な現象を考える上でも「物体の運動」のまとめとなる内容を含んでおり,様々な知識や物理的考察を要するとても良い実験である。

現状

物体の空中衝突実験では,弾丸を発射すると同時に物体(ターゲット)を自由落下させることが非常に難しく,多くの場合,電気信号によって物体を自由落下させている。ただ電気回路を含む装置は非常に高価であり,実験装置も複雑になってしまい,子どもたちに積極的に参加させることは難しい。また実験操作もボタンを押すだけの単純動作になってしまい,物理現象を見せるだけの演示実験としては良いが,生徒たちは実験に直接的に参加できないので面白みを感じられないという欠点がある。一方で空中衝突について,子どもたちが物理現象を理解しているかどうかと言えば,物体が自由落下するイメージは抱きやすいが,質量の小さい弾丸が放物運動する際に鉛直方向に物体の自由落下と同じ距離だけ落下するイメージは抱きにくいのが現状である。物体と比べて軽い弾丸はあまり落下せずに,発射後もそのまま直進してしまうイメージを持っている。

目的

実験手順

①準備品(6人グループを設定)

クリップ2個,たこ糸(10m程度),ポテトチップスの容器(紙筒),チョーク,塩化ビニルのパイプ棒(内径:13mm,外径:18mm )100cm程度,輪っか,ビニルテープ(黒or赤),スタンド,ペットボトルのキャップ,ガムテープ

②弾丸

チョークをビニルテープで2重巻きにして弾丸をつくる。チョークの長さは3cm程度が望ましい。

これらの理由により,最終的な材質としてチョークにたどり着いた。

弾丸(チョーク)

③弾丸を発射させるパイプ棒

パイプ棒の先端に図のようにクリップをテープで巻きつけて固定する。

弾丸を発射させるパイプ棒

④ターゲット(狙う物体)

ポテトチップスの紙筒の中にペットボトルのキャップを入れて,フタをしてフタの中央部にたこ糸を通し固定する。紙筒の代わりにアルミ缶などを使用しても良い。

ターゲット(狙う物体)

⑤弾丸を発射させるパイプ棒の固定

パイプ棒を2台のスタンドで固定し,パイプ棒の先端にたこ糸を固定し(実験手順③参照),天井などに輪っかを貼り付け,たこ糸を輪っかに通して,ターゲットを空中に安定させる。パイプ棒とターゲットとの距離は,初心者なら3m程度,慣れてくれば5m以上でも大丈夫である。

(発射台からターゲットを見た様子)
発射台からターゲットを見た様子
(発射パイプ棒の拡大写真)
発射パイプ棒の拡大写真
(実験装置の全体写真)
実験装置の全体写真

⑥弾丸の発射

弾丸をパイプ棒に入れて息を吹き込み,弾丸を発射させる。発射と同時に,物体を吊り下げているたこ糸が,パイプ棒の先に固定したクリップから外れ,物体が落下する。

発射と同時に物体が落下する原理

*パイプ棒の中からターゲットが直接見えるようにパイプ棒を固定すれば,必ず命中するが,生徒たちには,あえて何も伝えずに自分たちで命中する角度などを調べさせる。

⑦弾丸がターゲットに当たるまでの回数を数える。

実験結果

検索ワード
「演示実験 モンキーハンティング」
「モンキーハンティングPart1」
「モンキーハンティングPart2」

実験結果の考察

ターゲットを直接狙うと当たる

今後の方針

終わりに

物理的な理論なども大事であるが,本質的に「なぜ?」「ターゲットに当てたい!」などの実験本来の楽しさを感じさせることができたので,当初の目的は達成できたと感じている。ただ,今後の取り組み内容も大事である。また子供たちだけでなく意外にも理科に慣れているはずの新人教員たちも楽しく熱心に取り組んでいたのでとても意味のある実験であったと感じている。

◇高校物理基礎実験講習会2016 in 大阪

物体の空中衝突に熱心に挑戦する若手教員たち(参加人数40名程度)

高校物理基礎実験講習会2016in大阪