高槻天神先生のブログ

学研JR高槻前天神教室で行っている科学実験教室のブログです
基本、毎月第4土曜日に教室を開いています


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今日は磁石と電気のふしぎ実験の2回目でした。

最初は、リニアモーターに挑戦です。

前回の実験で、アルミホイルのブランコがピクピクと動く実験をしました。


このピクピクを連続して起こさせるとリニアモーターになります。
モーターというと回転するものを思い浮かべますが、リニアモーターのリニアとは直線という意味ですから、回転するのではなくまっすぐ動くモーターという意味です。

まず、一つの磁石を使ってアルミのパイプを動かしてみましょう。
アルミパイプ2本を平行に並べて、間にフェライト磁石を置きます。
アルミのパイプに、一方には+、片方には-の電池をミノムシクリップでつなぎます。
そして短いアルミパイプを磁石の上で長いアルミパイプの上に置きます。
すると乗せたアルミパイプは動きます。

磁石の向き、電池のつなぐ方向でどちらに動くかは決まっています。

では、同じ向き(すべてをN極を上にして)磁石をたくさん並べて同じようにすると、アルミパイプが、端から端まで動いていきます。


今回はN極を上に磁石を並べましたが、最後のところにS極の磁石を置くとそこでアルミパイプはストップします。

これがリニアモーターで動く電車の仕組みです。

今計画されている東京~名古屋間の中央新幹線は、もっと大掛かりなもので、電車の側面の超電導磁石で電車を浮上させ、走らせています。

次は、くるくる回るモータの実験です。
しかもとても簡単なモーターです。
使うものは、電池とフェライト磁石と釘とアルミホイルです。
まずフェライト磁石をアルミホイルでくるみます。
磁石に釘をくっつけて、電池のプラス側にぶら下げます。
アルミホイルを細く切ったもので電池のマイナス側から磁石の側面に軽く触れさせると磁石がくるくる回ります。


電気の流れる方向と磁石の向きで右回りか左回りかが決まります。
生徒のみんなも実験セットの磁石と釘を使って、くるくる回すことができました。

今度はファラデーという19世紀の有名な先生が作った世界で最初のモータを再現します。
しかし、このモータは実用化されることはありませんでした。
なぜなら、このモーターは液体(実際は水銀)の中をくるくる回るモーターなので実用には向いていなかったからです。

ガラスビンに食塩水を入れて、ビンの中に磁石を立てます。
ビンの側面にアルミ箔ををつけます。
ビンの中には回転棒となるアルミ棒をエナメル線でぶら下げます。
回転棒のアルミと、ビンの側面のアルミ箔に電池をつなぐと、アルミ棒がくるくる回りました。

このようにして、電気と磁石を使って物を回すことができることを最初に実験して見せてくれたのです。


そしてこの10年後に磁石で電気を作り出す原理を見つけているそうです。

最後は、原理は同じですが、洗面器の中の流れるプールの実験です。

洗面器に食塩水を入れます。
洗面器の下にはフェライト磁石を8個を丸く並べておきます。
洗面器の中にアルミホイルで作った、大きな輪と小さな輪を入れて、電池の電気を流します。

すると洗面器の中の水がくるくると回り始めました。
水の流れが分かりにくいので、オレガノを振りかけるとオレガノの流れている様子がよくわかりました。


洗面器の下の磁石を直線状に並べて、まっすぐなアルミホイルで同じように行うと、リニアモーターの流れるプールができました。

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今日は、磁石と電気のふしぎ実験の1回目でした。

最初は、「電気を流すと磁石が飛びつく」という実験です。
エナメル線に磁石を近づけても磁石とエナメル線はくっつきません。
エナメル線は鉄ではないので磁石はくっつかないですね。

ペットボトルにつけた割りばしにつるした磁石の前でエナメル線に電池をつけて電気を流します。
すると、磁石がエナメル線に飛びついてきました。
エナメル線に電気が流れるとエナメル線が磁石になりました。

金属は電気が流れると磁石になります。
電磁石というものですね。
みんなも自分たちの実験セットのコイルに電気を流して磁石がくっついてくることを確かめました。


次は、おもしろい実験です。
電磁調理器にアルミホイルで作った宇宙船(円盤)を置きます。
アルミホイルが飛んでいかないように、トイレットペーパーの芯を真ん中に立てておきます。

電磁調理器のスイッチを入れると、円盤がふわりと浮き上がります。
しかし、しばらくすると円盤はゆっくり落ちてきました。
落ちてきた円盤が電磁調理器の上につくとしばらくして、またふわりと浮き上がります。
この浮いたり落ちたりを延々と繰り返しています。



何が起こっているのでしょうか?
電磁調理器の中にはコイルがぎっしりと詰まっています。
ということは、電磁調理器は大きな電磁石になっています。
電磁調理器にアルミの円盤がのっているとアルミホイルに電流が流れます。
アルミホイルは電流が流れると磁石になって、電磁調理器と反発しあって浮き上がります。
一方、電磁調理器には安全装置があって、調理器の上にものが載っていないと自動的に電気が切れるようになっています。
したがって、アルミの円盤が浮き上がると、電磁調理器はものが載っていないと判断して電気が切れます。
電気が切れると電磁石ではなくなってしまうので円盤は落ちてきます。
円盤が落ちてくると電磁調理器はものが載っていると判断してまた電気が流れます。
これを繰り返すので、浮いたり落ちたりが続きます。

本当に電気が流れたり切れたりしているのか、確かめてみましょう。
豆電球2個を輪に形につないで、電磁調理器におくと、円盤が浮いているときは豆電球がひかり、落ちてくるときは豆電球が消えていることが分かります。

豆電球の電線にも、磁力があるときは電線に電流発生するので豆電球が光っているのですね。

次も不思議な実験です。
アルミでできているコの字型のアルミ棒の中にネオジム磁石を落とします。
ネオジム磁石は世界で一番強力な磁石です。
くっついた2つのネオジム磁石は小さな生徒では離すことができないくらいしっかりとくっついています。
また、ネオジム磁石は最近の電気自動車のモーターに使われるなど、重要な役割を果たしています。
ネオジム磁石は高価な磁石でしたが、最近では100円ショップなどで手に入りやすくなっています。

強力な磁石なのでこの実験をするときは、北がどちらかを方位磁石でまず確かめてから行う必要があります。
そうしないと落ちていくときにネオジム磁石が北に向こうとして回ってしまうので、まっすぐ落ちないからです。

ではネオジム磁石をアルミ棒の中で落としてみましょう。
ストンと落ちるかと思って見ていたら、なんと、スローモーションを見ているようにゆっくり落ちてきます。

なんとも不思議な現象です。
これも磁石にはり付かないはずのアルミ棒に磁石が落ちていくことで、アルミ棒に電流が発生して一瞬電磁石になり、このようなことになるのですね。

ねば~る磁石の実験もこれと同様な実験です。
ペットボトルにぶら下げたネオジム磁石をコの字のアルミ棒の中に入れて、アルミ棒を左右に動かします。
するとネオジム磁石はゆっくりとアルミ棒の動く方向に揺れていきます。
ネオジム磁石はアルミ棒にはさわっていません。
これもアルミ棒に発生した磁力に引っ張られて動いています。


今度は1円玉を洗面器に浮かべて、ネオジム磁石で動かす実験です。
1円玉を洗面器に浮かせて釘にネオジム磁石をつけて、磁石で1円玉の上を回転させると1円玉も回転します。
1円玉以外にもアルミ缶のふたやビール缶の底を切ったものも回転させることができました。



また、机の上に立てた1円玉を磁石で倒すこともできます。
磁石がさわる前に前向きや後ろ向きに倒すことができます。
これもみんなでやってみて確認できました。

最後は、アルミ箔を細く切ってペットボトルに渡してブランコを作ります。
ブランコの下に磁石を置いておいて、アルミ箔に電気を流すとブランコのように動きます。
ブランコのようにゆっくりは動きませんが、ピクピクとアルミ箔が動きました。

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今日は、振動のおもしろ実験の2回目でした。

まずは、浮き出すピンポン玉です。
(生徒たちには、ピンポン玉が中に隠れていることは秘密です)
プラコップの中にお米が入っています。
このコップをバイブレータで振動させると...
なんと、プクプクと中からピンポン玉が浮き上がってきました。


これは結構みんなにうけました。

今度は、コップのお米の上に金属のナットを置いて、振動させます。
するとナットがお米の中に沈んで消えてしまいました。

ピンポン玉は浮き上がって、ナットは沈んでしまったのは、どうしてでしょう?
「ピンポン玉は軽くて、ナットは重いから!」
という答えが返ってきました。
何と比べて、重い、軽いのでしょう。
同じ体積のお米と比べて、ピンポン玉は軽く、ナットは重いということですね。

大地が振動するのは地震ですね。
この前も熊本で大きな地震がありました。
5年前は東北で大きな地震がありました。

地震があるとどのようなことが起こるのでしょうか?
コップの中の実験で試してみましょう。
お米の実験では、軽いピンポン玉は浮き上がって、重いナットは沈みましたね。
地震に近い形で実験するために、砂を使います。
まずコップに砂を入れます。
砂の場合でも、お米の時と同じように、ピンポン玉は浮き上がり、ナットは沈みました。


今度はピンポン玉ではなく、水で試してみましょう。
水に砂を入れると沈みます。ということは水も砂よりは軽いということですね。
コップの中の砂に水を入れて、あふれた水はティッシュで吸い取ります。
これで湿った地面ができました。
このコップをバイブレータで振動させるとどういう変化が起こるでしょうか?
なんと砂から水があふれてきました。


これが、地震の時に起こる液状化現象というものです。
水分を多く含んだ土地が地震で揺らされると、水が地面にあふれてきます。

東北地震でも熊本地震でも見られた現象です。

コップの中のあふれた水はティッシュでふき取って、振動させるとまた水があふれてきます。
何回か水をあふれさせる実験ができます。

地震の時に地中の軽いものが浮き上がる現象として、マンホールのふたが地面から飛び出すことが知られています。
マンホールは中が空洞なので地面より軽いため、地面から浮き上がってきます。


ボルトをビルに見立てて、コップの中の砂の上に置いて振動させると、ボルトが傾いて沈んでいくことが分かります。
ボルトが沈むことからわかるように、ビルが地震で沈んでしまって傾くということも現実に起こってしまうわけです。
しかし、今はビルを建てるときに地中の硬い岩盤まで杭を打ってからビルを建てているので、振動で沈むということは起こりにくくなっています。

振動で起こる面白い現象の実験として、紙皿の上で砂を振動させる実験をします。
紙皿に乾いた砂を入れてバイブレータで振動させます。
生徒たちは、前回組み立てた、ぶるぶるザウルスを使って振動させました。

砂が跳ねる様子、流れる様子を観察しました。
傾けた紙皿の中で坂を上っていくような面白い動きも見られました。

では、砂が湿っていたらどうでしょうか?
紙皿の砂に水を少し加えて湿った砂にします。
そして同じように振動させると、地面の液状化現象のように水が浮き出し、砂が玉のように集まってくるのが分かります。
大きな団子のように丸まったり、芋虫のような動きをするなど面白い動きを観察できます。


今度は、音の実験です。
音は、振動によって鳴っています。
竹の笛も、セミ笛も振動によって音が出ます。



生徒たちには、ストローで作った笛の実験をやってもらいました。
ストローの先を斜めにはさみで切って、かみつぶしてリードを作ります。


強くストローを吹くとブーと音が鳴ります。
ストローにはあらかじめマジックでしるしを書いておきました。
ブーと鳴らしながら、しるしの部分を先から順にはさみで切っていくと、ドレミファの音が出ます。
ストローが長いときは低い音、短くしていくとだんだん高い音に変わっていくのが分かります。


ストロー笛を鳴らすのは、少しコツが必要です。吹く力が弱いのか、小さな生徒には少しむつかしそうでした。
太いストローと細いストローを使って、トロンボーンも作れます。

最後は大きな風船を使って「叫ぶ風船」の実験です。
風船を膨らませて、吹き口のところを左右にひきながら空気をもれさせると赤ちゃんの泣き声が聞こえます。

風船の膨らんでいるところが肺で、吹き口のところが声帯です。
声帯をうまく動かすことで音が変わります。
人の声はこのようにして発声されていることがよくわかりました。

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今日は、振動のふしぎ実験の1回目でした。

まず初めに、実験セットの「ぶるぶるザウルス」を組み立てます。


これが結構たいへんでした。
上級生の生徒は作り方のシートを見ながらだいたい一人でできますが、年少の生徒には少しむつかしい作業となりました。
電気のコードをつなぐのはうまくできるのですが、スイッチの部分の製作が少しむつかしいです。
先生一人ではとてもサポートしきれないので、早くできた生徒に手伝ってもらって何とかみんなのぶるぶるザウルス君が出来上がりました。

では、このぶるぶるザウルス君を使った実験を始めます。
最初は、ぶるぶるプロペラです。
生徒たちは、実験セットの回転シートを回しました。


プロペラ以外にもいろいろなものを回すことができます、




振動が菜箸のどこに当てると右回りで、どこだと左回りかきちんと決まっていることが発見できました。

振動によって困ったことも起こります。
ボルトのナットが振動で、はずれてしまって発生する事故もあります。
振動でボルトにはまっていたナットが外れることも確かに確認できました。


電車など振動するものに取り付けてあるボルト、ナットは振動で外れないよう、「割りピン」とか「ダブルナット」というような工夫がなされています。

次は、アルミのお皿にモールを置いて、お皿を振動させる実験です。
モールがくるくると面白いように動きまわります。


モールは毛足の長いもののほうがよく動くようです。
モールを蛇やバッタなどいろいろな形にして、みんなで楽しみました。

モールと同じようなものに「たわし」や「ブラシ」があります。


今度はたわしやブラシにぶるぶるザウルス君を針金入りにビニールひもで取り付けて動かします。

たわしはどこに行くのかわかりません。
少しやっていると、たわしの毛の向きをそろえてやるとうまく動く方向をコントロールできるようになります。
しかし、まっすぐに走らせることはとてもできそうにないので、たわしレースをしたかったのですが、レースはあきらめて、回転数競争をしました。


15秒で何回転するか?
一番くるくるまわった、たわしは20回転しました。

おもちゃのキツネ君は足の数が少ないので足をどのような向きにむけるとどう動くのかがよくわかります。


まっすぐ走らせたり、後退させたり、右回り、左回りなどをさせることができます。

今日の実験では、振動が回転に代わることを確かめましたが、ぶるぶるザウルスの中のモータには重心のずれたおもりがついています。
写真は、携帯電話の中に入っているバイブレータです。


小さなモータの先には、重心のずれたおもりがついていて、このモータが回転すると、ぶるぶると振動するわけです。

先生は木の棒に重心のずれた木の輪切りを取り付けたものを作りました。


両手でぐるぐる回してみると、振動することを感じることができます。
早く回転させたほうが、より振動を感じることができると思い、ドリルの先に取り付けられるものも作ってみました。

ドリルをぐるぐる回すと、ぶるぶる振動することを強く感じることができました。

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今日は、静電気びっくり実験の2回目でした。


最初は、電気バッタとチョウの乱舞の実験です。
電気バッタやチョウはアルミホイルを細かく切った物で作ります。
静電気の「物を引き付ける力」と「同じ種類に静電気どうしは反発しあう」ことを使った楽しい実験です。

アルミ皿と2二枚のポリプロピレンシート(クリアファイルを切って2枚に分けたもの)を使います。

アルミホイルを1cm位に切ったものをアルミ皿に入れて、ファイルシート2枚をウールの布でよくこすります。
アルミ皿の上で2枚のシートをずらすように動かすとアルミ皿の中でアルミホイルの小片がチョウのように乱舞します。



次はチョウに使った小さなアルミホイルを丸めます。
丸めたアルミ玉で先ほどと同じようにすると、バッタのようにピョンピョン飛び跳ねます。

どうしてこのようになるのでしょうか?


シートを布でこするとシートにはマイナスの静電気が発生します。
アルミホイルはシートの静電気に引き寄せられますがシートの振れるとシートと同じマイナスにの静電気を帯びてしまいますので、同じ静電気どうしは反発しあって離れて行きます。

シートについた静電気は布でこすった時のムラがあるので、シートをずらすことで静電気の強さが変わってこのような動きをするのですね。


つぎも、静電気の引き付ける力と反発する力を使った実験です。

おもしろいのはアルミ玉の振り子が静電気(電子)を運ぶというところです。

2つのアルミボトルの間に割り箸でつるしたアルミの球の振り子がぶら下がっています。




右のボトルにアルミ箔のアンテナをつけて、塩ビパイプを布でこすって静電気を起こしてボトルに静電気を貯めます。
しばらくすると振り子が動きはじめます。
アルミボトルの間をカンカンカンとぶつかりながら振れます。



これは、まず右のアルミ缶に貯まった静電気の力で振り子が吸い付けられてアルミ缶にぶつかるのですが、ぶつかるとアルミ缶に貯まったマイナスの電子の一部が振り子に移って、マイナスの電子どうしが反発しあって、はなれていった結果です。

左のアルミ缶に振り子がぶつかると振り子についていたマイナス電子が左のアルミ缶に移って、また、振り子が右のアルミ缶に吸い寄せられています。

これを繰り返すことで、右のアルミ缶の電子が左のアルミ缶に移動して、右と左のアルミ缶のマイナス電子が同じだけになると、振り子を引っ張る力が同じになって振り子が止まります。


その後、左のアルミ缶に先生が触れるとまた振り子が動きはじめます。




一度止まった振り子がアルミ缶に触れるだけでまた動き出すというのが不思議ですね。


左のアルミ缶に先生が触れると左のアルミ缶にたまっていた電子が先生の体を通って流れてしまって、左のアルミ缶の電子がなくなってしまいます。


そうすると、また右のアルミ缶に残っている静電気に引っ張られて振り子が動き始めたというわけです。


右のアルミ缶に静電気をいっぱい貯めて、一度止まった振り子が左のアルミ缶に触ったあと、また動き出す動作が何回出来るか実験してみました。


止まった後に右のアルミ缶に触っただけでまた動き出す回数は、10回から20回も確認できました。


右のアルミ缶のアンテナのアルミ箔のところにネオンランプを突き刺して同じように塩ビパイプをこするとネオンランプが赤く光るのが観察できます。
塩ビパイプの静電気がネオンランプの中を通っていったのでランプが赤く光ったのです。



静電気の力で、他にもおもしろいことができます。
蛍光灯を光らせたり、電卓の液晶パネルの文字盤に字を出してみることもできました。



最後は「百人おどしでびっくり」です。
プラコップにアルミ箔を巻いたものを2つ作って、間にアルミ箔にアンテナをはさんでコップを重ねます。
これで静電気を貯めることができるライデンびんの完成です。






このライデンびんに塩ビパイプを20回ほど布でこすって静電気を貯めます。

生徒たち全員が手をつないで、一人がライデンびんを持ちます。
隣りの生徒がライデンびんに触れると・・・・・・
バチッと電気が走りました。



みんなはぎょぎょぎょまたは、ぎゃっ~と驚きの実験の最後でした。



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