実験観察特別授業（2年SSアカデミーⅡ 物理）を行いました

9月5日の2年生のＳＳアカデミーⅡの授業で，実験観察特別授業が行われました。
ＳＳアカデミーⅡは，2・3年生のＳＳクラスの生徒が履修している学校設定科目で，理科・数学・情報・英語などの内容が盛り込まれた安積高校独自の授業です。
実験観察授業は，4校時連続で実施される授業で，じっくりと時間かけて実験観察をするというもので，1コマではできない内容の実験や観察を行うものです。

このうち物理選択者は，スマートカートを用いた力学実験に取り組みました。
スマートカートは，力・位置・速度・加速度センサーを内蔵した力学台車です。センサーで取得したデータはリアルタイムでタブレットに送信され，タブレットのアプリ上で直ちにグラフ化して表示できるというものです。

 今回の授業では，班ごとに自由に実験内容を決めることとし，4校時（装置の説明・実験準備），5校時（実験の検討と決定），6校時（データ取得と発表準備），7校時（発表），というタイムテーブルで実施しました。

 

 

 

 

 

  各班のテーマは次のとおりです。
①傾斜とばね定数
②動摩擦係数の測定
③単振り子の張力の測定
④鉛直ばね振り子の周期の測定
⑤スマートカートとレールの間の動摩擦係数の測定
⑥反発係数の測定
⑦円運動の間の張力の測定
⑧衝突実験
⑨単振り子の軌道上での張力の変化
⑩円錐振り子の加速度の測定
⑪運動量と力積の関係
⑫動摩擦係数の測定
⑬スマートカートによる斜面角度の測定
⑭単振り子の加速度の測定

各班でテーマを決め、力学スタンドやレール、ばね、糸などを組み合わせて自分で実験方法を考え、スマートカートで必要なデータを取得しました。そして「実験方法」、「グラフ概形」、「関連する物理の式やモデル」、「グラフから分かること・考察」、「グラフの形状の予想との差異」、「誤差やずれの発生理由の考察」などをパワーポイントにまとめ、他の班の前で堂々と発表しました。

どうしてそういうグラフが得られるかをちゃんと物理の式とモデルを用いて表現すること、センサーで得たグラフがどうしてそういう形になるかを説明すること、分かりやすくプレゼンすること・・・
どれもとても難しかったようで、苦労している生徒は多かったです。しかし、勉強になった、という感想も多かったです。

他の生徒から一番評価されて反響があったのが、８班の衝突の実験でした。動いているカートが静止しているカートにぶつかる場合、質量が同じで弾性衝突ならぶつかった側は静止するはずです。しかし、ゴムダンパーで衝突させる場合はぶつかった側のカートが少し動き続け、一方で磁石ダンパーの場合は完全に静止しました。
運動量の合計を見てみると、磁石の場合は磁力の位置エネルギーの変化が原因なのか運動量の減少がゴムダンパーの場合よりも大きく測定されました。興味深い現象です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4班の実験では、弾性力の変化をもとに周期を測定しました。分かりやすく結果をまとめることができ、誤差も少なく測定できました。

 

 

 

 

 

 

9班の実験では、単振り子の運動中の張力Sと接線方向の加速度a変化を式としてもとめ、S-aグラフがどのようになるかを測定し概形が理論式と合っていることを示しました。なかなか見ないグラフなので興味深いですね。

 

 

 

 

 

＜生徒感想＞
・今回初めて自分で実験から発表まで行った。まず実験方法が正しいか、考え方の前提が正しいか、正しく測定できたか、正しく計算できたか、確認することがたくさんあって、「研究」というものの奥深さを感じた。
・実験は少し時間がかかってしまったが、理論値との誤差は２％程だったのでうまく実験を行うことができたと思う。誤差の原因はスマートカートの傾きが鉛直方向からずれてしまったことが原因だと考えた。
・単振動の復元力と円運動の向心力を混同してしまって発表したので、間違った結論を導いてしまった。実験原理をしっかり考えることが大切だと思った。
・自分たちは測定を一度しか行えなかったため、信頼しにくい結果となってしまった。たくさん学ぶことがあった実験だったので、今後の研究に活かしたい。　　
・８班の衝突の実験について
（生徒A）磁石とゴムでは磁石の方が弾性衝突に近くなったという結果に興味を持った。
（生徒B）磁石を使ったときに初速度を与えた方が完全に静止するのが予想に反していて驚きであった。
（生徒C）考察までしっかり行っていてすごいと思った。

＜各生徒が他の班の発表をまとめたプリント＞