れみたそ@理科の先生のあれこれ

 とある理科教員の実験記録。

波の干渉実験(生徒実験 その4)

普段の仕事だけでなく、子育ても重なって、1人何役も同時にこなす日々が続いています。

そんな中、面白い波の干渉実験を作れたので久々にご紹介。

  

本校の物理準備室には巨大な水槽があります。元々は物理部の現3年生が頑張って作った実験用水槽です。もう使っていないのですがもったいないので何かに使えないかな、となんとなく思っていました。

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ちょうど2年生が波の単元に入ったので「波の干渉の現物を見せられたら面白いかな、おし、その単元でこの水槽使おう」と思い、まずは水を張って実験をしてみました。お風呂でやるような波をちゃぷちゃぷするような実験です。

 

しかし、やはり壁での反射波が強くお話しにならない。そこで、波を打ち消すようなガーゼのようなものがないかと思い、捨てるガーゼ(古くなり過ぎて使えない)とかもらえたらラッキーかなと思いつつ保健室に寄ったところ、捨てるレースのカーテンならあるということでもらってきました。適当に結束バンドでまとめて水槽の壁に沿って置いて消波ブロック代わりです。

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レースのカーテンの効果はそこそこでした。干渉の様子は見何となくは見えました。しかし、やはりまだ見えにくい。

波の反射を全て打ち消せるわけもなく、どうしても細かい波の反射が被ってしまう。そもそも、水は透明なので、光の反射でうまく水面の様子がわかる位置からしか見えない。

 

見えにくい実験は感動も薄い。

 

 

しばらくどうしたものかなーと、放置していたのですが、ふと大量の発泡ビーズ(1300円くらい)を買ってきて水を張って浮かべれば水面の大きな波だけがよく見えるようになるのではないか、と考え再実験。

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動画はこちら↓


波の干渉実験

いい具合に完成しました。

 

ただ、干渉の様子をキレイに作るためには二つの波源の波の大きさを同じにしなくてはなりません。そこは人が頑張るしかないようです。

(今度、機械化してみようかな?水波実験投影装置は売っているけど、この実験の売りは波の干渉を目で直接見れるところだし。でも自分の手を使って干渉を起こせるのが面白いよね)

 

あと、一般的にはそんな大きな水槽なんて普通ないからウチでは実験出来ない、とお思いかもしれませんが、よくよく考えるとこれ、ホームセンターで売ってる子ども用のプールで代用出来ますね。つまり、どの学校でも実験可能です。レースのカーテンもニトリで安いやつ買ってくればいいでしょう。

 

 

休み時間に高校生が物理室で波の干渉を自分で作って遊んでる、そんないい光景を見ることができましたよ。

 

(※ iphoneで記事を全部作成してみました。どんな風に仕上がってあるのだろうか?)PCで動画の埋め込み部分だけ手直ししました。スマホで細かい空き時間を使って記事にできるのはいいですね。

摩擦力と抗力(生徒実験 その2)

こちらは動摩擦力と抗力の関係を確認する実験。2年生なのですが、昨年実験はほぼ未実施とのことで、確認実験として行いました。(タイトルが”その2”なのはこの実験を行ったのが5月頃だからです。写真は未実施だったクラスのもので先々週のもの)

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※この実験は主目的である次の実験への前哨戦なのですが、著作権者からその実験の公開許諾を得ているわけではないのでそこは記事にはしません。もし、ご興味のある方は仮説実験授業研究会の授業書《まさつ力と仕事量》をご覧ください。

 

 

さてこの実験、摩擦力を上手に測るためには物体を引きずるのではなく、下の紙をひきずって測るのがポイント。ただ、じめじめした雨の日は避けたほうが良さそう。紙が湿気を吸ってところどころ引っかかってうまく測れない班が多かった。晴れた日のクラスはほとんどきれいに測れました。

この実験方法は、有名な本ですが「いきいき物理わくわく実験」の中にあります(何巻だったかな? 学校に置きっぱなしなもので(汗))。この本は3巻まで出ているのですが、高校物理の先生必携だと思います。(もちろん実験やらない先生には関係ありませんが・・・)

いきいき物理わくわく実験〈1〉

いきいき物理わくわく実験〈1〉

 

 

しかしながら、重さをどんどん増やしていくと摩擦力はきれいに比例しなくなってくる班が続出。そう、摩擦のお話はそう簡単ではありません。専門書でも摩擦の内容だけでたくさんの書籍が出版されるほど。個人的にはネット上で拾える解説としては東大地震研の波多野恭弘先生(現大阪大学)の解説が一番まとまっていてわかり易いと思います。ご参考までに(→ここをクリック)。

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また摩擦係数μはゴムの場合、荷重をかけていくとμの値が小さくなるという事実が知られているようです(→ここをクリック 記事の中の図7参照 )。抗力Nの値に応じて変化するμの入試問題とかあっても不思議ではありませんね。

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個人的には今回の生徒実験を通して、「摩擦って測るのは難しい、摩擦のお話は奥が深い」ということを生徒たちに感じてもらえればそれで目的は達成というわけです。

ところどころでこういう物理の深みへの「入り口」を見せていきたいですね。

反発係数を求めよう(生徒実験 その3)

反発係数を求める実験はおそらくどの教科書にも載っているポピュラーな実験。

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(啓林館 物理 改訂版 P45より引用 赤線は私)

 

この実験、生徒実験でやる意味あるのか?というご意見が飛んできそうですが、私は「やる意味はある」と思います。

私はこの実験の驚きポイントは赤の波線部の「高さが変わっても反発係数は同じか」ということを実際にやってみて確かめるところにあると思います。

 

これ、やってみるとわかるのですが、「落下する高さ」と「跳ね返った高さ」の比は、高さを変えてもきれいに一致します。これはちょっとした驚きです。(例えば 100cm から落として 76cm 跳ね返ったスーパーボールは 50cm から落とすとほぼ 38cm の高さまで跳ね返る) 

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生徒実験の結果は以下のとおりです。使用したのは100均で売っていたスーパーボールのみ。高さを変えて2回測定してもらっています。( )の高さが落下させた高さ。( )の左がその時の反発係数。

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実際にやってみると跳ね返った高さを読み取るのは難しく、班によっては 10cm 読み間違っている班もありました(笑)が、なかなかきれいな一致を見せていると思いませんか?

更にこの実験のいいところは時間もかからず、プリントも用意せず、10分程度の生徒実験で反発係数を求めることが出来るところ。そして、ただ座って聞いているだけよりも手を使って法則性を実験で確かめるのは楽しい(と思う)。

個人的には簡単にできる実験ほど生徒にやらせたほうがいいと思っているのですが、いかがでしょうか?

 

 

※私事ですが、バタバタしていて気がつけば6月半ば。ちょこちょこ生徒実験はやっているのですが、記事にしていませんでした。そんなわけで生徒実験その2はそのうち記事に上げるとして生徒実験その3を先にうp。

重ねた板の重心はどこにある?(生徒実験 その1)

今年の4月、異動になりました。

新しい学校は前の学校とは全く違い、まさに異世界そのものです。校種が違うとこんなにも違うのか日々実感しています。トライアンドエラーの毎日です。 

 

 

さて、新しい学校で4月の最初の生徒実験です。重心のお話。

実験:板をずらしながら重ねていくとき、「一番上の板の左端(右端)」が「一番下の板の右端(左端)」を超える最小の枚数は何枚だろうか?

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教卓の上で見せるだけでもいいのですが、やっぱり実験はやらないと楽しくないので、生徒全員が触れるようにホームセンターにて大量に木材をカットカットカット。2人で5枚ずつの計算で、20班×5枚=計100枚。

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☆授業の流れ

① 何枚で超えるか予想

 →どのクラスも、5〜8枚と予想する生徒が多数。9枚以上を予想する生徒も数名。

② 実際にやってみる

 →2人で5枚 or 4人で10枚で実験。生徒たちはいろんな重ね方をして試していた。20班もあると1〜2班くらいは5、6枚程度で完成させる。(「できた!」と声が上がる(いいねぇ))

③ 重ね方の法則性のお話

 →上からn枚目がどのくらいずらせるか、の説明。その後に実際にやってみせた画像がこちら。

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正解は5枚でした。見た感じ、一番上の板が右に落ちそうにしか見えないのに実際には落ちない。教える側が言うのもなんですけど、不思議な光景ですよね。(いや、だから物理はとても面白いと思うんですけど。)

 

いずれにしても、実験したほうが楽しいし学びやすい(気がする)で生徒実験を今後もできるだけ入れていきたいと考えています。

真空での水の冷却実験 その3(完成?)

3/1は卒業式でした

現任校で2回目の卒業生を出しました。

本当にいろいろありました。40人が一人も欠けることなく卒業できたことは非常に感慨深いものがありました(現任校は辞めてしまう生徒が珍しくない学校なのです)。

みんな、卒業おめでとう。そして、ありがとう。

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さて、話は戻って本題の真空での水の冷却実験。

ここまでの実験を元に、温度が下がりきらない原因は実験室の輻射熱が原因と考え、中古の冷蔵ショーケースを10800円で買ってきました。(車を往復200kmくらい走らせたかな)

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実験の意図

この実験の意図は、ビーカー内の水分子をどんどん遅いものばかりにして(蒸発冷却)、最終的には凍らせることを目的としています。

実験の流れ

1.真空容器の中にシリカゲルを敷き詰める。

2.十分に真空引きを行う。

3.真空ポンプから外し、冷蔵ショーケースに入れる。(輻射熱対策)

4.凍るまで待つ。

 

真空にする理由は、ご存知の方はおわかりと思いますが、速度の速い水分子を液体中から飛び出しやすくさせるためです。

また、容器内にシリカゲルを敷き詰めた理由は飛び出た水分子がまた液体に戻ることを防ぐためです。 

いかがでしょう?

「十分に真空状態にしたあと、シリカゲルのみで蒸発冷却を行って凍らせる」というこの実験方法、なかなかクレバーだと思いません??( ← 誰も褒めないので、自分で自分を褒める(笑

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それでは実験スタート!

① 実験前、水の温度は16.2℃

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② まずは、普通に真空引きを行います。


真空状態での水の冷却実験(沸騰中)

 

 

③ 8分後、十分に真空引きができたと判断し、真空ポンプから容器を外して冷蔵ショーケースに。

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④ 25分後、冷蔵庫内の温度(約5℃)より水の温度が下がる。

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⑤ 45分後、うっすら氷が張り始める!

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⑥ 50分後、氷が厚くなり始める。氷の下に水蒸気が溜まっている。

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⑦ 55分後、溜まった水蒸気が表面の氷を押し上げ出す

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 以上、300mlの大量の水を使って

1.空気をなくすことによって水が沸騰する(速い水分子が外へどんどん飛び出す)

2.蒸発冷却によって凍る(速い分子がどんどん出ていって、遅い分子だけになった)

の様子を1時間程度で見せられる実験(←ココ重要)が出来上がりました。

 

 

ただ私の勤務校の場合、授業は1コマ50分なので、もっと熱容量の小さい透明の容器を使うなどして45分くらいで氷の板が持ち上がるところを見せられるように更に工夫したいと思います。

 

さ、実験はほぼ完成なので、あとはどう授業展開をするか、ですね。

 

 

 

 

※ちなみに3時間放置したら、厚さ2cmの氷になりましたよ。

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真空での水の冷却実験 やっちまった編

引続き、真空での水の凍結実験(授業で使える実験)の開発を、授業や部活の合間を見つけてはちょこちょことやっているのですが、ついにやってしまいました。

 

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真空ポンプを扱う方ならおわかりだと思うのですが、水蒸気を吸って真空ポンプのオイルが乳化してしまいました。もちろん、吸引力もなくなりました。

あー、オイル交換めんどくさ。(手が油まみれになるのですよ)

 

水の凍結実験ですから、当然、真空引きの際はシリカゲルを通して水蒸気をキャッチしてから吸気していたのですが、完全に水蒸気をキャッチするには下の写真のあたりで限界だったようです(シリカゲル自体はもっとピンク色になる)。

・水分を吸ってピンク色へ

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・最初(青いですねー)

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とりあえず、このまま放置だと真空ポンプを壊しかねないのでさっさと交換しました。交換用オイルもちゃんと持っています(自前)。まあ、同じことを一昨年前にやってしまっているので。

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オイル、きれいになりましたね。

テストにマークシートを導入したらマクロを組まなくてはならなくなった話

 

マークシートを定期試験に導入して2回の試験が終了しました。ここでは導入にあたっての試行錯誤を備忘録的に残しておこうと思います。 

 

◯今回作ったマークシート

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 1.マークシート式の試験を導入しようと思ったきっかけ 

以前、企業に勤める友人が東京に出張にきた際に飲んだときのお話です。

学校現場では「要録は手書きでないといけない」とか、なぜか手書きにこだわる場面が多々あり、そのなかでも数百人分の採点は特に面倒、という半ば愚痴のような話をしたことがあります。そのときにサクッと返ってきた答えが

「テストなんてマークシートでええやん。何か問題あるん?(←富山県出身)

とバッサリ。

 

企業に勤める人は、無駄と思えること対してなんの後ろめたさもなく切っていくのだなあと感心しました。これが学校の先生相手だと、教育効果がどうのこうの、大学受験ではどうのこうの、という話になると思うのですが、試験をマークシートにしたら学力が確実に下がるという保証もないし、そもそも私が勤務しているような学校では一般入試で大学に入ろうとする生徒は皆無なので、その観点からマークシートを否定する必要性も感じられません。まあ、彼の意見が僕にとって非常に説得力があるように聞こえたのは彼が東大出身のいわゆる勉強のエキスパートの人間の意見であったというのもあるのですが。 

 

 

 2.導入したソフト 

そこで、教員生活で初めて、マークシート式の試験を導入することを決意。もちろんマークだけではなく記述式、論述式も取り入れ可能なソフトを探し、以下のソフトにたどり着きました。  

マークシート読取君4

マークシート読取君4

 

 

このソフト、なかなかに素晴らしいです。各生徒の解答一覧をcsvファイルで返してくれます。それだけでなく、私が勤務しているような高校の場合、マークシートに慣れていないせいか、マークが非常に薄いor適当な生徒がいます。そういう生徒の解答を拾うのにもこのソフトはとても威力を発揮します。(詳細は上のサイトを参照)

 

 

 3.解答の返却方法は? → Excelでマクロを組むしかない! 

学校での定期試験は合計点だけ生徒に返せばいい、というものではありません。僕の場合

・問題番号

・正答

・あなたの解答

・解答の正誤

・配点

の5点を表示させた答案用紙と共に本人がマークした解答用紙を返却したい、と思いました。なぜかといいますと、

・機械のマーク誤読対策(自分の解答と機械の読取りが一致しているかの確認)

・合計点の集計ミスの防止(合計点が正しいかの確認)

・自分の解答の正誤を認識してもらう(復習しやすくするための教育的配慮)

をテスト返却後に、生徒自身で簡単に出来る状況を作っておく必要性があると考えるからです。

もちろんそんなことは行わずに、合計点は読取りソフトで集計可能なので、合計点だけ印刷して返して、本人の解答用紙とともに正答一覧を別に配るだけでもテスト返却は完結してしまうわけですが、この辺は教員が定期テストにどこまでの役割を求めるかで変わってくるでしょう。 私の場合、自分の解答の正誤をしっかり認識させてその後の学習指導に役立てたいという考えがあります。

 

さて、上記の5点を表記して返す具体的な手段はExcelでマクロを組む以外にありませんでした。学校ネットワークに接続可能な支給されるPCでプログラミング可能なのはExcelぐらいしかないからです。僕自身、一度たりともマクロ組んだことないし、マクロに関わらないで済むのならそれが一番と思ってここまで来たのですが、仕方ありません。ちなみに私のプログラミング経験はほぼゼロで、

Pythonの初心者用解説を2冊読んだ機械学習に興味があったので)

程度の知識しかありません。ただ、それらの経験から本を買ってきて0から勉強するよりも、やりたいことさえできればいいので、ネットでひたすら検索しまくり、そこにあるコードをコピペしまくって貼り合わせたほうが早いと考え1行1行作っていきました。もちろん、コードが1行ずつ長くなるたびに思い通りに動かなくて更に検索をかける、という3歩歩いて2歩下がるという作業がひたすら続いたことは言うまでもありません。

◯作った解答用紙に対応した返却用答案用紙(A4に2人分印刷)

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 4.マーク式試験のメリットデメリット 

マーク式試験のメリットを点数で表すと

+1000点 採点の速さは圧倒的!そして正確!

+20点   すべての解答を一度画像として取り込むので、不正行為抑止につながる

の2点です。まず、採点の速度は圧倒的に早い! 事前に答案返却用マクロさえ組み上がっていれば試験終了後の1時間で採点、印刷のすべてが終わってしまいます。この速さは圧倒的です。

短くはない教員生活の中で、素早くかつ、手採点・手集計の間違いを少なくする方法を身に付けて来たつもりなのですが、それでも毎回毎回200人以上の採点をしていると2,3件はどうしてもミスが出てしまいます。それが今の所一切ありません。また、極稀に返された解答用紙を修正するという不正行為を行う生徒がいますが、画像で全員分の解答をJPEGで取り込んでいるので、不正行為抑止にも繋がります。(機械採点なので全員分の解答画像を保存している、と生徒にも言っている。)

 

一方、マーク式試験のデメリットは

-50点   問題の選択肢を作るのがめんどくさい

  -5点   マークシートを読取るために、毎回ソフトの読取り設定を行う必要がある

  -5点   選択問題、記述式問題の数に合わせ、毎回答案返却用Excelマクロの一部に変更を加えなければならない。

くらいです。もちろん

-300点 Excelでマクロを組む(初期投資)

はありますが、そんなもの一度作ってしまった僕にはもう関係はありません。それに、マクロを食わず嫌いしていた僕にとって、仕事で使えるプログラミングを行うことができた、という良い経験にもなりました。それに選択肢を作るのが面倒という問題も計算問題を数学のセンター試験のようにすればもっとラクになると思います。

 

  

 5.結論 

結論として、マークシートの処理速度は圧倒的です。毎度毎度マクロを多少いじることになりますが、今後も間違いなく使い続けると思います。ちなみに、既にテストだけではなく、授業アンケートや感想の集計とかにも威力を発揮しています。