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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今日は回転運動びっくり実験の2回目でした。


最初は、ふしぎゴマです。
ふつう、コマは回っている時に軸を傾けると、首ふり運動をします。
このふしぎゴマは、傾いたまま首を振らずに静止した姿勢で回り続けるコマです。
イギリスのマックスウェルという有名な科学者が研究したコマなので、マックスウェルの
コマといいます。
材料はロートと鉛筆と鉛筆をロートに挟むティッシュペーパーです。
ロートに鉛筆を刺してコマの重心を調整します。
鉛筆の先よりコマの重心が上だと右回りに首ふりをします。
鉛筆の先よりコマの重心が下だと逆に回ります。
重心を調整して、鉛筆の芯の先がちょうどコマの重心になった時、傾いて回っているのに
右にも左にも首ふりをせず、じっと傾いた状態で回り続けます。


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この時、鉛筆は常に一方向を指しているので、コマを持ったままぐるりと体を
一回転させても鉛筆は常に同じ方向を指しています。

北極星に向けて回り続けるこのコマを宇宙船に積んで宇宙に行けば、
常に北極星を指しているので宇宙船の操縦の指針になるわけです。


次は、おかしな回転体、ラトルバック。
石器時代から存在していたともいわれています。
石器時代の石斧の一種が不思議な動きをすることで、セルツ(斧)とかケルト人の石という意味で、

ケルト石などと呼ばれていたようです。
ふしぎな動きをする石で、時計回りにくるくる回して、しばらくすると止まりかけるのですが、
がたがたを揺れたと思うと逆回りに回り始めます。

これをスタンプのつまみと鉛筆で作ります。
つまみの中心線に真ん中を合わせて、20~30°ほど交差させて鉛筆をセロハンテープではり付けます。
これで出来上がり。
右回りで回すとしばらくして止まった後、少しだけ逆回りをしました。

同じようなものをいろいろ作ってみました。


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100円ショップで買ってきたスプーンを使って、柄の部分を折ってはがして、斜めにつけたものや

同じく100円ショップで買ってきたプラスチック製のトングの先の部分に中心をずらして
ナットを重り代わりにセロハンテープで付けたものなどです。

どれも時計回りに回った後、がたがたと揺れて逆回転を始めます。

この形は、回さなくても上下に振動させると、回りだす不思議な形です。
振動が回転に変わる形をしているのです。
ラトルとは「ガタガタという振動音」のこと、「ラトルバック」はがたがた振動して逆回りをするという

意味で付けられた名のようです。


次は、おむすび車輪です。
おむすびのような形をした車輪(コロ)を三個作りました。
この上に板を置いて転がすとがたがたせずにスムースに板を転がすことができます。

このおむすび三角形は正三角形の一辺を半径とする3つの円弧でできています。
床からの距離が常に同じ長さで転がることができます。

この三角形を長方形の枠の中で動かしてみると常に上の辺と下の辺にぴったりくっつて
おむすび三角形が転がることが分かります。


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また正方形の中で回すと常にどこかの辺にくっついて、おむすび三角形が正方形の中を回ります。

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この形はルーローの三角形といわれるもので、今は作られなくなってしまいましたが
ロータリーエンジンの中の三角形の形です。


次は、回転で起こる事象について実験です。
コップの中の水は落ちるかな?
プラコップに紐をつけて、コップに3分の1ほど水を入れます。
このコップを回転させると、コップの水はどうなるでしょう?
コップが真上に来たとき、中の水がこぼれるかな?
これはみんなよく知っていましたね。
水は、こぼれません。
どうしてですか?の質問に「遠心力」という答が返ってきました。
そのとおり。
回転により、遠心力という力が働くのでコップの中の水は、コップの底に貼りついていますね。


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失敗してびしょ濡れになったら大変なので、みんなは、ペットボトルに水を入れたものを
回して確認しました。


ドーナツ型宇宙ステーションの実験もしました。
ドーナツ型宇宙ステーションは、ロケットの父フォンブラウンが1952年ごろに構想を示している

宇宙ステーションです。
先生も子供のころ雑誌でよく見た憧れの宇宙ステーションです。

ドーナツ型宇宙ステーションは、無重力状態の宇宙において、回転による遠心力で地球上と同じ重力を

作るという構想です。
(でも実際にはあまりにも構想が大きすぎて実現はしていませんね。なにしろ直径1Km近いドーナツ型の

構造物を宇宙上に造るのですから)


これに関連して、前回使った車輪を使った回転装置で実験をします。
この車輪の上にプラコップをセロハンテープでくっつけて、中でろうそくに火をつけます。
この車輪を回すと、ろうそくの炎はどちらに向くでしょうか?
遠心力が働くので、炎は外に向くように思えますね。

ところが、炎は内側に向いていました。


ドーナツ型宇宙ステーションでは遠心力による人工重力により中にいる人は
回転の中心が真上、ドーナツの外側が床になるように人は横向きに立つことになります。
炎は上昇気流により上に向かうことを考えると、ドーナツ型宇宙船の中では
上(つまり中心)に炎が向くことが分かります。


目でも確認できましたが、炎が内側に向いていた証拠には、プラコップの内側に

熱で穴が開いていたことではっきりわかりました。


他にも5円玉を通り抜けるおはじきや50円玉のマジック(実験)もやりました。
ペットボトルの口の上に置いた5円玉をおはじき(50円玉)が通り抜ける実験です。
5円玉の小さな穴をおはじきが通り抜けた?
最初は紙の筒をかぶせてやった後、種明かしで透明の筒をかぶせて行いました。


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わかってしまえば、な~んだ。というマジックですが、結構うけるマジックだと思います。


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今日は回転運動びっくり実験の1回目でした。


最初は、どちらが生卵?です。


ゆで卵(京都では「にぬき」といいますが)と生卵は、見た目では区別がつきません。
割らずに見分けるにはどうすればいいでしょう?
「回せばいい」という子がいました。

正解!です。
でも回してどう区別するのかは、はっきりしません。

じゃ、やってみましょう。やってみれば、よくわかります。
生卵はうまく回転しませんが、ゆで卵はクルクルとてもよく回ります。
みんなもやってみました。 はっきりと違いが分かりました。

もうひとつ面白いことは
生卵は回転中に指で押さえて止めても、指を離すとまた回り出します。
ゆで卵は回転中に指で止めると、止まったままです。
生卵は、卵の殻の中がどろどろした流体なので、殻が止まっても中の流体(黄身と白身)は
回ろうとしています。
だから、外の殻が止まっても中ではまだ回ろうとする力が働いているので一度止まってもまた回り
だします。


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次はスリル満点皿回し
プラスチック製の丸盆や紙皿を使ってみんなで皿回しをしました。
ペットボトルのキャップを裏側に付けて、園芸用のポールを回し棒にして、くるくる回します。
紙皿1枚のお皿、紙皿3枚を重ねたお皿、丸盆のどれが一番まわしやすいか実験しました。
ある程度の重さがある方が安定して回るようです。
丸盆が一番まわしやすいことがわかりました。(この中では丸盆が一番重い)
紙皿は、ふらふらしてなかなかきれいには回せませんでした。
これは、細工をした先生にも原因があるかもしれません。
プラスチックの丸盆は作った時の跡があって、裏側から円の中心がよくわかるのですが
紙皿は、先生がちょっと適当にここがまん中かな、というあたりにペットボトルのキャップを
つけたので、中心を正確に取れていなかった可能性があります。


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今度は、ながく回るのはどっち?
四角い工作紙に爪楊枝を刺してコマを作りました。
これだけのコマでもよく回りますが、ここで実験です。
1円玉は重さが1g(はかりで量って確認しました。)
50円玉は重さが4gでした。

ここでさっきの四角いコマに、1つにはつまようじの真ん中に50円玉をセロテープで貼ります。
もう一つのコマには四隅に1円玉を貼りつけます。
これで、どちらも4gの重さの増えたコマになりました。


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さあ、どちらのコマがよく回るでしょう。
これも、みんなでやってみました。
はっきりと違いが分かりましたね。
1円玉を貼った周辺の重いコマは、回転する速度が落ちてもとても安定して回ることが分かりました。


最後は、車輪でびっくりゴマです。
自転車の車輪を使って、コマを作りました。
車輪を勢いよくまわすと、コマのように安定して回ります。
回転している車輪の軸を傾けると首ふり運動を始めます。
首を振るように回りながら、倒れそうで倒れずによく回ります。

今度は、空中で車輪を回します。
車輪を勢いよく回して、軸の片側だけに紐を掛けてぶら下げてみても、
車輪は落ちずに安定して回転します。


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ただ、車輪は回ろうとする力が働いているので、ゆっくり回ります。

次に、先生は回した車輪の軸を片手で支えました。車輪は落ちませんが、先生は回りながら
支えていないと落としそうになります。

子供たちには車輪を両手で持ってもらって勢いよく回しました。
車輪を傾けると傾けたほうに体が回っていく力が働いていることが、実感できました。
自転車の回っている車輪は結構すごい力が働いていることがよくわかりました。


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実験セットのCDで作ったコマでも、車輪が片方の軸だけでも倒れなかったのと同じ実験が
できました。
また、コマの綱渡りもしました。


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先生は、家から持ってきた地球ゴマを使って、コマの綱渡りをしました。


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今日は、表面張力おもしろ実験の2回目でした。


まずは、マジック「逃げるコショウ」です。
洗面器に水をはって、コショウをパラパラと一面にまきます。


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爪楊枝を取り出して、「実は、コショウはとがったものが大嫌いなのを
知っていますか?」といって、爪楊枝をコショウのまん中に突き刺します。


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「ほら、コショウが怖がって逃げていきました。」
みんなもやってみる?と言って新しい爪楊枝を渡します。
ところが、爪楊枝を刺しても、何も起こりません。

何が違うのでしょうか?
実は、先生の使った爪楊枝には洗剤をつけていたのです。
洗剤は、水の表面張力を弱める働きがあります。
爪楊枝から水の中に流れ出た洗剤の働きで、爪楊枝の周りの表面張力が
弱くなってしまったのです。そのため、元の水の引っ張る力より,洗剤の周りの水の引っ張る力が

弱くなって、コショウが周りに引っ張られていってしまったのです。
見た感じ、何かにコショウが押し出されたかのように見えますが、実は周りから引っ張られていたのですね。


今度はシャボン液を使ったおもしろい実験です。
水に台所洗剤を溶かしてシャボン液を作っておきます。
アルミの針金で作ったわっかをシャボン液につけるとわっかにシャボンの膜ができます。
このわっかを上下に揺らすとビロンビロンとシャボンの膜が上下しておもしろいです。

シャボンの膜が結構強いことに驚かされます。

このシャボンの膜を壊さずに穴をあけてみましょう。
どうするかというと糸で作った小さなわっかをこのシャボンの膜に載せます。
糸の輪の中を爪楊枝でつくと、糸がまん丸にひらいて、シャボンの膜に穴が開きます。


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この穴は、爪楊枝を使ってあちこちに動かすこともできます。
糸をのせた時は、丸くなかったのに、穴が開くときれいなまん丸になります。
糸を引っ張る力が均一なのでまん丸になるのですね。


次はお酒で走る船です。
実験セットのプラシートを船の形に切って、まんなかを少し折って水に浮かべます。
そして実験セットに入っているピペットを使って、ウィスキーを一滴、船の後部に垂らします。
すると結構速いスピードで船が走ります。


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ウィスキーでなくてもアルコール類であれば何でもできます。
アルコールも洗剤と同じように表面張力を弱める働きがあるので、
コショウが逃げたのと同じ理由で、船の後ろ側の表面張力が弱くなった分、
前に引っ張られるので、進んでいきます。


シャボン玉のトランポリンという実験もしました。
先ほど使ったアルミの針金のわっかにシャボンの膜を張って、ストローで作ったシャボン玉を
トランポリンのように弾ませる実験です。
みんなでやりましたが、結構むつかしい実験でしたね。
でも、3回くらいはポンポンと弾ませることができる生徒もいました。

シャボン玉どうしが触れ合ってもくっつかないで弾むこともできるというのは不思議でした。


最後は、空中に浮かぶシャボン玉です。
普通シャボン玉はすぐに落ちて行ってしまいますが、このシャボン玉を空中にじっとさせよう
という実験です。
使うのは、水槽と入浴剤のバブ。
水槽に少し水を入れて、バブを金づちである程度細かく砕いて入れます。
そうすると水槽の中には炭酸ガス(二酸化炭素)がたまります。
二酸化炭素は空気よりもおもいので水槽の中にたまります。

水槽の中の空気を乱さないように注意して、シャボン玉を入れると、水槽の中にシャボン玉を浮かせることができます。


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写真では水槽が汚く映ってしまいましたが、シャボン玉はじっと浮かんでいました。

これには、みんなも結構ふしぎに感じてくれたようです。
だけど炭酸ガスは水に大変よく溶けるので、シャボンの膜を通ってだんだんとシャボン玉の中に
入り込むようで、少しずつ落ちていってしまいました。



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今日は表面張力ふしぎ実験の1日目です。


一円玉は1gですが、一円玉は水より重いでしょうか?軽いでしょうか?


重いと言った生徒は一人だけで、後は全員軽いという答えでした。
では、一円玉を水の入った透明コップに入れます。
すとんと落ちました。ということは一円玉の方が水より重いということですね。
でも、この一円玉は水に浮かすことができます。


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指をうまく使って浮かすこともできますが、だれでも簡単に浮かせるために
このような道具を使います。


アルミの針金を蚊取り線香のようにグルグル巻いて作ったものです。


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この上に一円玉をのせて、ゆっくり水の中に沈めると、うまく浮かせることができます。
水より重いものが水に浮くことができるのは、表面張力の力を借りているわけです。
一円玉(アルミ)より重い(比重が大きい)鉄でできたクリップでもうまく浮かせることが
できます。


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表面張力すごい!!

池でアメンボがスイスイ水の上を動き回っているのも、表面張力の力で足を浮かせて
動いているからです。


この浮いた一円玉のすぐそばに魔法の液を一滴たらすと、一円玉が沈みました。
この魔法の液は食器を洗う液体洗剤です。
洗剤は表面張力を弱める働きがあります。


では、今度はこの洗剤を使ってシャボン玉の実験をしましょう。

みんなの知っているシャボン玉は、ストローで空気中にシャボン玉を飛ばしていますね。
でも、この実験では、水中シャボン玉を作ってみましょう。

透明コップに洗剤を3滴落とします。


このコップの水にストローを5cmほど入れて、親指でストローの端を押して水を
持ち上げます。この水を水面の少し上のところからそろりとコップに流し込みます。
少しコツがいりますが、なれるとうまく水中シャボン玉を作ることができます。
水中シャボン玉は、シャボン液とシャボン液の間が空気で包まれたシャボン玉です。

空中のシャボン玉が空気と空気の間をシャボン液が包んでいるのとちょうど反対の
シャボン玉というわけです。


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今度は実験セットに入っているピペットを使って、水中シャボン玉と同じものを
水面にいっぱい作ってみましょう。


泡とちがって、シャボン液がつまった玉が水面にたくさんできます。
ビーズのようにとてもきれいな水玉ビーズを作ることができました。
(残念ながらこの水玉ビーズの写真はうまく取れませんでした。)


次は、四角いシャボン玉に挑戦です。
先生は、あらかじめ、写真のような正四面体や立方体、三角柱、四角柱の枠を
ストローとアルミの針金で作ってきました。


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立方体(正六面体)をシャボン液につけるとどんな感じになるでしょうか?
外側の側面に膜ができるのではなく、内側にキュッと膜ができます。
ストローで真ん中のところに空気を入れると、立方体の中に立方体のシャボン玉ができます。

正四面体(三角の集まり)の中に空気を入れると、正四面体のシャボン玉になります。

でも、よく見ると稜線は直線ではなく、少し曲線になっていますね。


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表面張力の引っ張る力が均一になるように引っ張られるので、直線にはならないのですね。

生徒のみんなも実験セットを使って正四面体を作りました。


それぞれを自分たちで思いおもいに実験しました。


すると、先生には思いもかけない形が次々現れました。
提灯シャボン玉やぱっつんぱっつんの立方体などです。


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実験が終わってもなかなか帰らずにみんな楽しんでいました。


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今日は、新・磁石と電気のふしぎ実験の2回目でした。


ネオジム磁石という世界で一番強力な磁石があります。
小さな磁石です。2つくっついた状態で子供たちに引き離してもらいましたが
とても強くくっついていて、すごい力がいることがわかります。
その強力さにみんなびっくり。


この磁石は、日本人が発明した磁石で、今ではEV(電気自動車)のモーターの部品としても
とても大事な役割をになっている磁石です。


このネオジム磁石、世界一強力な磁石ですが、アルミニュームにはくっつきません。
アルミ箔やアルミでできた「コの字棒」にくっつきませんね。


そこで実験です。
アルミで出来た「コの字棒」にこのネオジム磁石を入れて落とすと、ゆっくり落ちていきます。
アルミ箔を丸めて作った小さな玉は、すとん、と落ちていきます。

とても不思議です。。。。。


では、次の実験です。
コイン選別機を使います。
透明プラケースと定規で作った斜めのスロープにいろいろなコインをすべらしていきます。
ちょっとしたポイントは出口のところにコインを挟むように置いたネオジム磁石です。

1円玉、5円玉、10円玉、50円玉、100円玉、500円玉を滑らしていくと
同じコインは同じ場所に落ちます。

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落ちる場所でコインの種類がわかるので「コイン選別機」なんです。
コインの落ち方をよく観察するとおもしろいことがわかりました。
どのコインも落ちていく時、出口のネオジム磁石のところでゆっくりになります。

一番、急ブレーキがかかったようになるは1円玉でした。


先ほどの、アルミの「コの字棒」の中をネオジム磁石がゆっくり落ちたのと、
1円玉がネオジム磁石にところで急ブレーキがかかったようにゆっくり落ちたのとは、
同じ現象なのですね。(磁石のほうが動いているか、アルミのほうが動いているかの違いです。)


磁石の中(磁力線の中)をアルミ(金属)が通ると金属の方に電気が流れます。
金属に電気が流れると磁石(電磁石)になることは先月の実験で確かめました。

アルミの1円玉がネオジム磁石の間を通る時に電流が1円玉に発生して、1円玉が
一時的に電磁石になって、ネオジム磁石と引き合う極ができて、引き付けあって
ゆっくりになるのです。


この現象はとても奥の深い原理ですので小学生に全てを理解してもらうことはできませんが、

目の前で起こっている現象として、このようになることを知っていて、
将来「あのことだったのか!」と思い出して理解が深まってくれればと思います。


これと同じことを、電磁調理器とアルミ箔で作った宇宙船でも確かめられます。
電磁調理器にドーナッツ型に切ったアルミ箔を乗せます。
アルミ箔の宇宙船がどこかに飛んで行かないように、真ん中に紙で作った心棒を立てておきます。
そして、電磁調理器のスイッチを入れると。


あら不思議。
アルミ箔の宇宙船が、ポワ~ンと浮き上がって、しばらくすると落ちてきて、
またポワ~ンと浮き上がって、、、、、それを繰り返します。


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電磁調理器の中は、コイルがグルグル巻かれています。
その上に置いたアルミ箔には電磁調理器が作る磁力によって電流が流れます。
電流が流れたアルミ箔は電磁石になって、電磁調理器と反発しあって浮き上がります。


電磁調理器には安全装置が付いているので、物が乗っていないと電気が切れるようにできています。
電気が切れると、アルミ箔の宇宙船も自分の重さで落ちてきます。
アルミ箔が落ちてくると、また電磁調理器にくっついて、電磁調理器に電気が通って、アルミの宇宙船は浮き上がります。


とても面白い実験です。
でも、浮上っている時アルミ箔の宇宙船は熱くなっているので注意してください。


次は、不思議なイヤホーンです。
コイル付のミニプラグとコイル付のイヤホンを作ります。


ラジカセと線が直接つながっていないのに、プラグについたコイルから、コイルの付いたイヤホンに、

電気が流れて、イヤホンからラジカセの音を聞くことができました。


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電線がつながっていないのに、コイルからコイルに電気が伝わったことがわかりました。

電磁調理器とアルミ箔の宇宙船と同じ原理だということが、わかってもらえたかな。


コイルで出来た磁気と磁気から作られた電流によって、イヤホンが聞こえるのです。


電磁誘導という現象ですが、小学生にはその原理は難しすぎますね。


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電気と磁石(磁気)とはとても関連が深いものなのだということを知って帰ってもらえれば
十分です。



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