infoコメントを見る(0)書く「PC版」では、教科書(啓林館版)の単元別に検索できます。「ブログ内検索」にキーワードを入れることで知りたい単元の記事が表示されます。教育利用として私の権利の及ばない範囲です。(著作権放棄ではありません)この下は、「これからのユニークな単元の実験特集」です。<水のすがた>2020年02月24日(月)カテゴリー:物理学的教材コメントを見る(0)書く氷を細かく砕いた後、時間があるので、予備実験。やらなくても良いのだが、予備実験をしておくとちょっとしたコツを話せるから。温度を測定する方の試験管は、スタンドで固定して実験する。その時に、温度計をー20°Cまで目盛りが見えるようにしておくと良いなって気づいた。上は、現在の水温が見える高さだ。試験管の上の方をクランプでくわえることになる。氷と塩に熱を伝えるためには、飽和食塩水を加える。わずかに接触する氷以外に空気で冷やすよりも、凍らない食塩水で熱を伝える方が効率が良いから。100mLの食塩水を加えた。実験終わりには500mLビーカーからあふれることはない量だったし、試験管が何とか食塩水に浸かっている量だ。塩を加えると水温はすぐに0°Cを差すようになった。それから、薬さじで氷を混ぜていく。ビーカーの外側を非接触温度計で計ってみた。温度を測るスポットとしてマスキングテープをビーカーに貼っておこうか。水の状態を確認するための試験管の方が、完全に凍った。温度計の方の試験管を見ると-15°C。時々、混ぜると良いみたい。場所によって塩のかかり具合が違うので、温度に差が出るみたい。混ぜることで温度分布が均されるってことだろう。出来上がった氷は、最初の液面よりも高くなっている。しるし用のマスキングテープと、ストップウォッチと、薬さじと赤外線温度計を用意しておかなくては。この実験は温度計を壊しやすい。片づけは、温度計の刺さった試験管を先に大人の手で回収して回って、ぬるま湯につけて融かしてしまう方が安全かも知れん。<電磁石のはたらき>2020年02月23日(日)カテゴリー:物理学的教材コメントを見る(0)書く100回巻きと200回巻きの電磁石の強さを、電流計もつないで調べてみる実験。用意したのは、16mmの釘をヨーグルトカップに入れたもの。班に電源装置が2台なので、釘は半分こで使う。電磁石が吸い付けた釘は、電源を切ってヨーグルトカップに落とす。風袋を引いた電子天秤に載せて、吸い付けた釘の重さで、電磁石の強さを数値で示して、記録。電子天秤は班にひとつだが、二人で1実験。交互に電子天秤を使いながら実験が進んでいく。<発電と電気の利用>2020年02月22日(土)カテゴリー:物理学的教材コメントを見る(0)書く手回し発電機の授業で、コンデンサを使う時がきた。手回しで、回数を決めてコンデンサに蓄電する。それで、白熱豆電球やLED豆電球を灯して比較してみる。LED豆電球や、電子オルゴールは「7分経ったけどまだ鳴ってる」、だワ。動力系のプロペラやら、白熱球に比べると、電子系は消費電流がめちゃ少ないのだ。「途中でやめて、プロペラにつないでみよう」って。それでも、1分ほど回ってる。ウチの10Fのコンデンサは、容量が大きすぎるってことだワ。プロペラ、電子オルゴールは班に一つだが、ほかは二人で1実験。忙しいってのは、わき目もふらずに授業が進んでいくので良い。電子オルゴールが1個昇天してしまった。発電機をちょいと早回ししたので、1.5Vの電子オルゴールの定格を超えてしまったんではないかな。「コンデンサって、電池と比べるとどれ位...」って疑問があるようだが、比べようがないんだな。乾電池って能力の表示がないし、使用状態によって寿命が違うから。<水のすがた>2020年02月21日(金)カテゴリー:┣実験に備えてコメントを見る(0)書く今日は氷作りの実験だなと思ってちょっと早めに出勤。氷を小さく割って準備をしておかなくてはならんから。あてが外れて今日は授業はないらしい。氷は、一つ隣の家庭科室の大きな冷凍庫で作っておいた。作り方は、ポリ袋に水を2Lほど入れてくくっただけ。それを運んできて大まかに割る。思った方向に割れ目を入れるには「鉈」が調子が良い。包丁では刃が薄すぎるし、出刃包丁は片刃で思った方向に割れずに使い勝手が悪い。その点、鉈を氷に当てて玄能で叩き込むとほぼ狙った方向に割れ目が入る。オンザロックぐらいの大きさになったらタライに入れて床に置いて、上から金づちで砕く。氷そのままを叩くと飛び散るので、タオルや土嚢袋をかぶせて叩く。細かくなりすぎるのはかえって都合が良い。大きいのは、先切って金づちを改造した道具でアイスピックのように割る。500mLビーカーに山盛りになる量を、袋に入れて、再び冷凍庫へ。冷凍庫に入れると、氷の温度が低くなりすぎる。実験前には早めに出して室温に近くしておく方が良い。<発電と電気の利用>2020年02月20日(木)カテゴリー:物理学的教材コメントを見る(0)書く<発電と電気の利用>で、キャパシタ(蓄電器、コンデンサ)を使うようになった。キャパシタ、コンデンサ、蓄電器って、何?マンガン電池やアルカリ電池、蓄電池やリチウムイオン電池とどう違うの?上の図は、回路図で使うコンデンサの記号です。aが代表的な記号、bは大容量の電解液を使ったコンデンサで極性があるので+の記号付き、CとDは可変コンデンサ。コンデンサとは、この記号のように、電極を向かい合わせにした構造の部品です。上のように、私の、やってはいけないLED点灯回路でも、交流を通す部品としてコンデンサを使ってます。コンデンサは、直流は通さないが、交流は通るのです。構造的に分かりやすいのはこの空気コンデンサ。絶縁体として空気を使った、場所をとる大きな部品。真空管式のラジオで、選局の用途に使っていた容量可変コンデンサです。空気コンデンサは二つの電極が向かい合って、その対面する面積が変わるように作ってあります。右は、高圧のかかる無線送信機などに使われていた絶縁体に雲母を使ったマイカコンデンサ。コンデンサは、絶縁体で隔てられた二つの電極に、+とーが引き寄せられて来て溜まるという単純な構造です。左の丸くオレンジのはセラミックコンデンサ。セパレータに磁器を使用しその表面に金属を貼った電極です。その他のは、セパレータにフィルムを使ったフィルムコンデンサ。中は、同じように2枚の電極の間にセパレータを挟んで巻いたもの。絶縁のためにオイルを使ったのがオイルコンデンサ、電解液を使ったのが電解コンデンサ。右は、これらのコンデンサの構造を図解したもの。これらのほかに、最近では基板の表面に実装するタイプのコンデンサも多くなってきている。コンデンサには静電容量のF(ファラッド)という単位を使う。10−12F)と、とても小さな単位で使うことが多かった。それに比べて、実験用に理科室にあるコンデンサは「電気二重層コンデンサ」と言って、容量がとてつもなく大きい。これで10F(ファラッド)だ。上の(中)のコンデンサより6桁も大きな容量を持っている。そのため、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタなどと呼ぶところもある。そのため、今までのコンデンサと呼ぶのではなく「キャパシタ」と呼ぶ方が良いという声もある。電気を得る電池としては、マンガン電池やアルカリ電池など、化学反応を利用した1次電池がある。非可逆の化学反応で、充電の出来ないのが1次電池と呼ばれる。電気を貯めておける2次電池として、従来は自動車のバッテリーなどの鉛蓄電器しかなかった。ニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池など2次電池も進化して、今では自動車の主電源として使えるまでになっている。これも化学反応をベースにした電池である。コンデンサの性能は静電容量(F)で表すが、化学反応を伴わないので応答速度が非常に速い。容量が少なかったために、交流を直流に直した時の、脈流の細かな電圧変化を平滑にする用途ぐらいしか使えなかった。この電気二重層コンデンサは大容量で、応答速度が速く内部抵抗が低いために、急に大電流が必要な機器など、新しい用途が開けてきている。注意することとと、短絡させないように使うようにさせたい。そのために、ウチでは極性を意識するように、キャパシタに赤黒のリード線を付けている。極性を間違って使わないようにと、市販の実験器具では、入力側にダイオードを付けている。ダイオードが入ると、極性を逆に接続すると蓄電されない。整流用ダイオードの順方向の電圧降下が0.6Vほどあるので、その分蓄電される電圧も下がるので耐圧の心配が少々減る。手作りしてみたのは(中)。手持ちの大きな容量の2200μFだが、理科室のキャパシタより4桁も小さい。通電中、蓄電中を示すLEDもつけておいた。その参考回路図は(右)。ダイオードをブリッジ接続にしておくと、IN側の極性を気にしなくてもよくなる。この回路は普通の整流回路なので、入力側に交流を接続しても直流が蓄電される。キャパシタ(コンデンサ、蓄電器)には、「極性」があり、「耐圧」があり、「内部抵抗」が非常に低い。極性のある回路を扱う時に気を付ける点に加えて、大電流を流す能力を持った素子であることを知ったうえで取り扱わなければならない。実験に使用した後は、キャパシタにモーターなど消費電流の大きなものを接続して、完全放電しておく方が安全である。このページの先頭へ▲バナナプラグとミノムシクリップのコードの収納場所を2020年02月19日(水)カテゴリー:┗収納の工夫コメントを見る(0)書く我が家でコツコツ作ってたのはこの引き出し。学校へ運んできて、赤色を塗装して、解剖顕微鏡の箱から外したハンドルを取り付けてほぼ出来上がった状態。仰々しいほどデカイのは、コードを下げておくための木製フック。洋折れとか洋灯ではコードが急に曲がりすぎるので、木製で。電源装置の模様替えをして、電流計と電源装置の間にこの引き出しを設置。黄色いゲタの電流計は、4年生用のセンターゼロの検流計。その上は5・6年生用の電流計が青いゲタの上に収納してある。実際に実験をする時は、引き出しをこのように立てかけておくと、取りやすいし、返納しやすい、だろう。引き出しの下には、細い角材を打ち付けて摩擦軽減のレールにしたので、その隙間が活用できる。A3版の掲示物を収納しておくことにした。バナナプラグは、接続変えがしやすい。電流計では使い勝手が良い。電源装置なら、極性が逆だって時に差し替えるのが便利。長めにしてあるのと、電源装置と電流計で使い回すので、収納場所がほしかったのだ。メンテナンスをしてないと、くるくると小さく巻いたり、結んだりして収納されてしまう。つぎに実験をする時に取り回しが悪くなるのだ。経験上はどこかに吊り下げておくのがベスト。場所がないので、伸ばしたまま水平に収納することにした。豆電球とLEDの差2020年02月18日(火)カテゴリー:おもしろ理科支援コメントを見る(0)書く理科の実験材料にLEDが入ってきた。マチを走っている自動車だってLEDを使っているものが多い時代となっている。ところが、LEDと豆電球の違いについて知らないまま使うことになってしまっている。白熱電球は電圧を重視する白熱球の豆電球です。白熱球ってのは、真空のガラスの中にタングステン線を封じたもの。ニクロム線が入れてあるようなもので、電流によって赤熱して光を発する構造になっている。使う時は、「2.5V0.3A」って書かれている特性を読んで使っている。注目しているのは「2.5V」の部分だ。乾電池1個で灯すと、少々暗いが灯る。乾電池2個の3Vで灯すと、特性上はオーバーだが明るく灯る。点灯させるとき以外は「0.3A」の方は意識をせずに使っている。夏祭りなんぞで、100Wの電球を1本の電線に25個ぶら下げようって考えて、“そりゃブレーカーが落ちる”って、電球を40Wに取り換えるなんてことを考える時ぐらいです。白熱球は、電圧で考えてきたのだ。車用の12Vの電球を、家庭用の100V回路につないだりはしないのだ。LEDは発する波長で順方向電圧降下値が決まるLEDはいろいろな種類がある。その色(出す光の波長)で順方向の降下電圧が決まっている。赤色で1.8Vあたり、青色で3.1Vくらいだ。青色発光ダイオードで日本人がノーベル賞を受賞した。そのおかげで、白色のLEDも登場するようになった。白色を発するLEDは無いしかし、白い色を発するLEDはナイのだ。白色は可視光線を頃合いにミックスして白色を得ているのであって、光の3原色をまぜてこそ白色になるのだ。3つもLEDを封入するのが大変なので多くは青色発光ダイオードに反対色の黄色のフィルターをかぶせて白色にしたり、紫外線発光ダイオードに蛍光灯で使っている蛍光体をかぶせて白色にしている。1本にRGBの3つのLEDを封入したLEDもある。新品のLEDは足の長さが変えてある。普通は長い方に+極を接続する。直流でしか点灯しない半導体だ。間違ってもこんな交流で点灯させる回路を組んだらダメなのだ。実際に私は作ったけど、交流に対応するために、LEDを2本逆向きに並べている。これでも、逆耐圧(普通は5Vぐらい)が超えてしまうとLEDが壊れる。LEDは直流で点灯させる中を見ると、LEDチップの台になっている部分と、それに接続する足とからなっている。これを見て+ーを判断するのはアブナイ。メーカーによって違うことがあるからだ。LEDは逆に接続すると点灯しない、って実験をすることがあるが、その素子の逆耐圧はいくらなのか意識せずに使っているのではないか。普通は5V程度なので、それ以下で試してみなくてはならない。良好に点灯する範囲は狭い白熱球と違ってLEDは電流値で回路を考える。このグラフは白色LED。2V程度では灯ることはない。適切な灯り方は20mAで、順方向に3.1Vが必要と読む。電圧を上げていくと電流も増えるが、ある点から壊れてしまう半導体なのだ。電源にLEDを直接接続してはならないLEDを電池に直接つないで点灯させるってこともあるが、ごく稀なことだと思わなくてはならない。キャンドルLEDがこの点灯をさせていたぐらいだ。これは、小さな電池で、内部抵抗が大きいので、LEDの最大規格を超える電流が流れることはないから実現できている回路なのだ。白色LEDだから良いけど、順方向電圧の低い赤色LEDは、この3V電池で同じように灯すと破壊するおそれがある。上の例は左の回路だが、通常は右のように電流制限抵抗を直列に接続して使う。抵抗値は、電圧によって(このLEDなら20mAになるように)決まる。内部抵抗の低い、大きな電池や電源装置を使うなら必須なのが電流制限抵抗だ。ホームセンターで売っているLEDは、電流制限抵抗をセットにしている。抵抗なしに使うべきではないからだ。望ましい抵抗値はオームの法則「E=IR」で計算して求める。「R抵抗値(Ω)=E電圧(V)÷I電流値(A)」で計算する。このように、LEDは「電流値を重視して回路を作る」のだ。これを知らずに豆電球の感覚でLEDを点灯させると壊してしまう。豆電球のように電圧で明るさを調整することは出来ない。この特性のグラフを見るとおり、1.8Vでは点灯しないしし、2.1Vを超えると規格を超える電流が流れてしまう。電圧の調整でコントロールをすることがむずかしいのだ。適切な点灯は2V10mAあたりが良い。LEDはPWM回路で明るさを調整する明るさを変えるなら、LED専用の制御回路が必要になる。その方法は点灯している時間を制御する方法だ。このONとOFFを目にはちらつきを感じさせないスピードで繰り返している。上の例なら2割程度の明るさ、下のように点灯時間が長いと8割程度の明るさになる。100V用LED電球と、それに応じた調光器が必要になる。理科実験用の低電圧LED豆電球ウチで使っているLED豆電球は、白色なのに低電圧の1.5Vで点灯する。LED内部に昇圧素子を持っているLEDなのだろう。こんな豆電球なら電流制限抵抗なしに使うことが出来る。ものはLEDなので、定格を超える使いかたをするとLEDを破壊してしまう。白熱豆電球で授業をした時に、電池2個で明るく灯ったので、3個使ってみた子がいた。球切れをおこしてしまった。LEDは省電力キャパシタ(コンデンサ、蓄電器)に発電した電気をためてLEDと白熱豆電球で比較してみる実験がある。電流値を比較すると、白熱豆電球は「300mA」、LEDは「20mA」だ。LEDの方が15倍の時間、点灯してくれるって計算になる。省電力ということで次々に電球が置き換わっていっているのだ。LEDは熱に弱いLEDは、「光を発する半導体」って名前。半導体なので、他のICなどと同じように熱には強くない。省電力、省エネルギーの光源として普及しているが、それでも流れる電流量によって自身が発熱する。明るいLEDは発熱量も多くなり、その放熱が必要になる。上の図は電機メーカーによる内部構造の図。上半分しか光る部分が無いのは、下半分で放熱しているため。したがって、密閉灯具や高温になりがちな車中など、放熱の難しい場所での使用は、寿命を短くすることがあるので注意が必要。<発電と電気の利用>2020年02月17日(月)カテゴリー:物理学的教材コメントを見る(0)書く手回し発電機で、回す方向と回す回数で比較してみる実験。蓄電器を使わないってぇので、電子オルゴールは聞きにくい。使ったのは、白熱豆電球、LED電球、電子オルゴール、プロペラ付きモーター。極性のある、LEDとオルゴールは鳴らないことがある、ってのが結果。この実験は壊しやすいんだよな。電子オルゴールとLED電球には極性があるんだから。<水のすがた>2020年02月16日(日)カテゴリー:物理学的教材コメントを見る(0)書く今日の実験は、示範ばかりのおもしろ実験。水蒸気と湯気1つめは、どちらのお風呂の気温が高いか?。こっち(上)は湯気が出てるけど、こっち(下)は無い。温泉だから湯の温度は同じ。どちらの風呂場の気温が高いか?って。湯の水面の湯気に、間違えるように眼を誘導する悪い先生だこと。期待したとおり、冬の雪見風呂(上)に手を挙げたのが半分。自信たっぷりに“そりゃぁ湯気がたっぷりの方があったかいやん”て手の挙げ方だ。引っかけられて間違えるから勉強になるんだワ。こっち(上)は雪景色やで、こっち(下)は夏の緑の葉っぱや。周りが雪なら寒い、気温が高いのは夏やんか、って。続けて、肉じゃがの湯気を立たせるにはどうしたら良いかって。肉じゃがを暖かく”、って正解に到達した子がいた。見せたのは、肉じゃがの上にドライアイスの入った網をかざしている写真。肉じゃがの上の空気だけを冷やすと、湯気がたっぷり出ているようになる。実際に、背景を濃い色にして空気を冷やして飲食店用の写真を撮るんだって。“ドライアイスの煙って、湯気なん?”ってつぶやきが聞こえた。湯気、雲、霧とおんなじ。フラスコのノズルから噴き出している湯気をガスバーナーで炙って見せる。そりゃぁきれいに湯気は消える。周囲の温度が高いと湯気になりにくいのだ、ってこととして見せておく。空き缶クラッシュ二つ目は空き缶クラッシュ。アルミ缶に少々湯を入れて、コンロで温める。湯気が出てきたところで蓋を閉めて火を消す。何やかんや言っている間にペキッと凹み始める。水槽の水に入れると、音を立てて、水を飛ばしながら凹む。「爆発した!」って言う子も。爆発じゃぁないんだな。“ドラム缶でやってるのを見た”って子もいた。難しいのはこのフラスコ風船。やったら、こうなる?フラスコに風船を取り付けて息を吹き込んで膨らむかどうかやらせてみる。肺活量のありそうな子だが、無理。“風船をつけてフラスコを温めたら良い”、という子が居たので、試しにやってみせる。残念ながら、風船は外へ出てきて膨らんでしまった。コンロにのせたフラスコを水蒸気で満たしてから、「熱いんだワ」と言いながら風船を取り付けて見せる。キッチンペーパーを巻いた割りばしの介錯棒で、フラスコ内でうまく膨らむように深くまで押し込んで補助してやる。風船はフラスコのように首が長くないから。水槽の水で冷やすと、フラスコの中で風船が膨らむ。フラスコの首が長いので、風船が球体の部分に多く行くように押し込まないとフラスコの中で割れてしまうのだ。割れても飛び散らない安全な実験。平底より丸底の方がより安全だが、安定して立つ方をセレクトしてしまった。出来上がったフラスコ風船を、再びコンロで温める。フラスコ内の風船が出てきて外で膨らむ。火から外すと、再びフラスコ内に吸い込まれて膨らむ。ま、押されて膨らむって思っているところに、吸い込まれて(陰圧によって)膨らむってのは考え出すのは難しいようだ。空き缶クラッシュの、蓋の代わりに風船をつけた、って言うと分かりやすいかも。実は、大気圧が押しているから中で膨らんだのだ、って説明が分かるにはまだちょっと無理かも。