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アドバンス理数の授業内でのふりこの実験【小学5年生】

小学5年生のアドバンス理数の授業の話です。

ふりこの等時性についての学習が進み、まとめの単元に入りましたので、実際に実験を行って「等時性」や「ひもの長さと周期との関係」について考察する時間をもつことにしました。

ふりこの等時性については、かの有名なガリレオ・ガリレイが1583年に発見したとされています。日本でいえば、室町時代が終わった10年後で、安土桃山初期の時代でした。

逸話ですが、この年、ピサの大聖堂に入ったガリレオは、建物の中で揺れているランプが風でゆれていることに気づきました。ゆれるランプを眺めていたガリレオは、大きくゆれるのと小さくゆれるのでは、ランプが往復する時間が変わらないことを、自分の脈を数えながら確かめたのです。

さて、教室の天井から2メートル近くの長さの大きな振り子をつくり、振れ幅を3種類変えながら往復する時間(周期)をストップウォッチを使って測定しました。測定には、テキストで学習したように数回の往復する時間を測定して平均を取るという方法を使いました。

多少の誤差はありますが、確かに0.1秒程度の範囲で振れ幅によらないことを確認することができました。

また、ふりこの長さについては、周期の比の2乗と長さの比が比例することが知られていますので、その点についても確認しました。

2つのふりこA、Bの周期を測定しておき、その周期の比の2乗の値を使って、Aの長さからBの長さを予測してみますと、実際のBの長さとほぼ一致することも確認でき、子どもたちもよく一致したことに驚きの声を上げていました。

「往復する時間の比の2乗が長さの比になる」ことは中学受験の入試でもよく使われるのですが、体で理解して頂けたと思います。

ふりこの実験2019a
作成したふりこ(重い鉛を使っています)

ふりこの実験2019b
Bのふりこの長さを、AとBの周期の比から予測しました





徳進館 進学ゼミナール【宇部市|塾】

〒755-0039 山口県宇部市東梶返4-9-43斎藤ビル101

連絡先(塾長) 0120-967-804 a_ts@tokushinkan.jp

公式ウェブ  http://tokushinkan.jp/

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ジャンル : 学校・教育

水素の性質を実感する実験【小学探Q教室】

小学生を対象とした理科の実験教室(探Q教室)では、夏休み前頃から化学のテーマに入り、気体の発生などの基礎的な実験を繰り返して、装置の扱い方や気体の捕集法と体積の測定、グラフ化などを学んでいます。

前回までは過酸化水素水と二酸化マンガンによる酸素の発生を行い、おおむね過酸化水素水の体積と酸素の発生量が比例することを確認しました。

今回は、水素についてです。

まずはスプレー水素を用いて、小さな容器内で爆発させる実験を行い、

2H2+O2→2H2O

の化学反応式に従って、水蒸気が生成することや熱が発生することを実感して頂きました。点火直後に出る大きな燃焼音と白い光に驚き、みなが一瞬固まりました。

また、希塩酸とマグネシウムを使って水素を発生させ、水上置換法にて捕集してみました。結果、およそ0.18gのマグネシウムから180mLの水素が生成しました。

このような、中学入試や中学校での学習にも通じる実験を当面続けていき、探Q教室生たちの化学に対する経験値を上げていきたいと考えています。

探Q教室2018水素a
二叉試験管内での水素の発生
探Q教室2018水素b
水上置換法で水素を捕集します






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液体窒素による低温探究【小学探Q教室】

小学生を対象とした理科の実験教室【探Q教室】では、毎年、液体窒素を使った低温の実験を目玉の1つにしています。

事前に資料集などから液体窒素の性質や製法などを学習し、また、今日の実験での注意点や何を確認するのかなどの話し合いをしました。

また、-196℃という低温を保存するためのデュワー瓶の仕組みを説明しました。2重構造になった大きな真空魔法瓶のようなものですが、ガラスがむき出しのため構造をよく見ることができます。

生徒たちは、この、ガラス細工をする職人さんが上手につくったガラス器具を不思議そうに眺めていました。

今日は、バナナのほか花、マシュマロ、スーパーボール、電池、お菓子など、各自が凍らせてみたいものを持ち寄ってくれました。

液体窒素2018a
花が一瞬でドライフラワーに

また、今回面白かったのは風船を使った実験です。

風船に水を入れて口をしばり、液体窒素に入れるとみるみる凍っていきます。十分凍らせた後、ゴムを破くと、きれいな丸い形をした氷のかたまりが出てきたのを見て、子どもたちが大歓声をあげました。

液体窒素2018c
きれいな卵型の氷ができました

バナナでのくぎ打ちや冷凍マシュマロ(意外とおいしい!)などを楽しみながら時間が過ぎていきました。





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溶融金属の性質【小学探Q教室】

今年度の探Q教室は、午前の部で「プログラミング」を学習した後、午後から「実験の部」という構成で進めています。

実験の部では、その日のテーマとなる物質の性質を資料で調査したものを書き写してまとめたり、予定した実験に対してどうしてそうなるのかといったことを予想したり考察したりした上で、実際の実験に移ります。

本日のテーマは表面張力についてです。

水は『水玉』といわれるようにハスの葉などの特定の表面上で丸くなりますが、アルコールはそうなりません。これは表面張力の違いによるものです。

このような違いについて学習した後に、「非日常的」な『金属』の表面張力について考察します。「溶融金属の性質」といえるテーマですが、金属の表面張力がいかに大きいものかを実験で検証します。

比較的低い温度で溶ける金属として「ハンダ」(スズと鉛の合金)があります。しかも安価に手に入りますから、参加者それぞれにふんだんに使ってもらって自由に溶かし、溶けた様子を観察したり、冷却板に流したときの様子や固まった様子を観察してもらいました。

探Q教室生一人ひとりが、金属が持つ強い表面張力によって溶融金属が球状になることを確かめながら、その不思議な物性に強い興味を示し、意欲的に実験に取り組んでいました。

探Q教室2017溶融金属a
熱でみるみる溶ける合金

探Q教室2017溶融金属b
冷却板上で固まります。表面張力によってしっかりと丸みを帯びています。





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化学基礎から化学へつなぐ【高校・化学基礎講座】

宇部高や慶進中高一貫コースの学年末試験も終わり、本講座では、教科書1冊の内容を終えたタイミングとなりました。

理系選択者にとって、次に待ち構えているのが「化学」という教科書です。旧課程の「化学Ⅱ」よりも内容(単位数)が多く、教科書も分厚いので、大変な教科であることは間違いありません。

私自身の経験上、化学では「実体験」に基づく感覚的な要素がとても重要だと感じています。活字のみからでももちろん理解はできますが、実体験があると理解に至るスピードが変わってくるはずです。

このような信念から、毎年この時期からは実験重視で体験的学習を深める授業を行っており、今年は今日から連続3回も実験を行う予定を立てました。

化学基礎の最後は「酸化還元」がテーマで、次の教科書ではその酸化還元の延長として、「電気分解」という計算分野があります。

そこで、化学基礎から化学へ橋渡しをするために、電気分解について理解を深めることにしました。

ホワイトボードに書く電気分解の回路図やイラストでもイメージを伝えることはできますが、では、1回解説して、何かその類題を解かせて自力で解けるかというと、宇部高生でもほとんどが「解けません」(といいますか、ほぼ、ペンが動きません)。

どうしてなのかというと、やはりイメージが浮かばないからだと思います。

このあたりが、長年化学を教えてきて、平面(紙やホワイトボード)で教えることの限界なのだと痛感しています。

そこで、3次元的なアプローチが必要なわけです。

実際に装置を組み立てること、つまり、電源装置と電流計、電圧計を適切に配置し、電気分解に使用する銅板を切ったり、硫酸銅の水溶液を仕込んだりといった過程を通じて、難しいことに対して楽しみながら五感でイメージしていきます。

この、「楽しみながら学習する」というところが学習の本質だと信じています。勉強により忍耐力は確実につきますが、それだけでは上限は見えています。決して苦しいことばかりに耐えるのが勉強ではなく、学問本来の「面白さ」に気づけば、上限を突破することができます。

「なるほど…」とか、「不思議だな…」といったことを、紙面でも感じることはできますが、さらに高次元に、五感で感じることが必要なのです。

このような体験を生徒たちに少しでも踏ませるべく、1回目の実験を終えました。

電流値の時間的変化を矩形法で積分し、陽極での酸化反応、銅イオンの還元による金属の析出といった現象を目で確認しつつ、精密天秤を使って測定します。

それをもとに計算をするのですが、計算をしないと実験も先に進まないので、必然的に「あれ、どうだったかな」と考えるわけです。もしくは、チームの友達に聞いたりするのです。

ただ紙を使って個別に学習をさせると、別に解けなくても大きな害はないのですが、実験の場面では解けないと害があるため、「前に進めよう」という力の出し方が変わるのです。

また来週も、様々な生徒たちの工夫や知恵が見れるのを楽しみにしています。

化学基礎2017c
組み立てた電気分解の装置

化学基礎2017a
陰極側では、見事な銅樹ができました

化学基礎2017b
電極を丁寧に洗浄して、乾燥後、質量を測定します





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