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


テーマ:

今日は、回転パワー大実験の2回目でした。

 

今日は、なんでもコマ作戦です。
まず、丸いものをいろいろ回してみましょう。
最初はCDです。
CDのまん中の穴にビー玉を乗せて、セロハンテープで止めます。
これがCDコマです。
ビー玉をつまんで回すのは回しにくいので、実験セットに入っているスターターを使います。
ピアノ線の先に小さな吸盤をつけて、これでビー玉を回します。

CDは完全な円形に作られているので、大変安定して回ります。
CDをコマにするために作られた部品も売られていて、これを使うと手で簡単にCDコマを回すことができます。
CD以外の丸いものも回してみましょう。
紙のお皿、お盆、鍋ぶた、ボウルなどです。
ビー玉をつける吸盤とコマを回す軸をつける吸盤があります。

これを回したいものの裏と表にくっつけて、鉛筆やストローを使って回します。
円の中心にうまく軸をつけることができれば、どれもコマになってよく回ります。
 
軸がずれるとコマが傾いてすぐに止まってしまいます。
 
丸くないものもコマになるでしょうか?
たぬきの顔を書いた厚紙を回してみましょう。
コマの軸をどこに刺せばよいでしょうか。
軸は回転の中心になるところですから、図形の重心を探す必要があります。
軸の場所を探す方法は、タコ糸に押しピンをつけて、片方の端に粘土でおもりをつけた「つりさげ装置」を使います。
つりさげ装置の押しピンを厚紙にさして静かにぶら下げます。

静止したらタコ糸を押さえて、鉛筆で糸の位置に定規で線を引きます。
別の場所でも同じように厚紙をぶら下げて、タコ糸の位置に線を引きます。
この二つの線が交差したところが重心です。
さらにもう一度別のところに押しピンを押してぶら下げても、この重心をタコ糸が通っていることが確認できます。
この重心の位置にコマの軸を作れば、丸くない形のものでもコマのように回すことができます。
 
回し方は、拝むようにゆっくりと手をずらして回すとうまく回すことができます。
いろいろな形に工作紙を切ったものでも、重心を探してコマにして回しました。
正方形のコマでどちらが良く回るかの実験もしました。
10cm四方の工作紙でコマを作ります。
1つは工作紙につまようじを刺しただけのもの、次は四隅に1円玉をセロテープでつけたもの、もう一つは四隅に5円玉をつけたものです。
どのコマが一番よく(長く)回るでしょう?
一円玉は1g、5円玉は3.7gです。
実験して分かったことは、一番長く回っていたのは、5円玉のコマ、次が1円玉のコマで何もつけなかったコマは一番最初に止まってしまいました。

コマは周辺が重いほどよく回るということが分かりました。
 
次は、ぶんぶんコマを作って回してみましょう。
大き目のボタンにタコ糸を通してぶんぶんコマを作ります。
やり方は、まず数十回ボタンを回してタコ糸をよじります。
そしてタコ糸を引いたり緩めたりして、よじれた糸が戻る力で反対によじれるようにします。

コツをつかめば簡単なのですが、最初はうまくいかずに生徒たちも苦労していました。

だんだんと勢いよく回すことができるようになると、「ぶんぶん」とすごく大きな音を出しながら回ります。
ボタンではなく、厚紙で作ったぶんぶんコマでも大きな音で回りました。
 
最後は、「回すとどうなる?」です。
不思議な動きを見てみましょう。
ガチャ玉のケースの片方だけに粘土を詰めて重くしておきます。
このガチャ玉を横向けにして勢いよく回します。

するとどのように回るでしょうか?
なんと、粘土を詰めた重いほうが上になって回ります。
これは、昔からある、逆さゴマと同じです。

重いほうを下にして回しても逆立ちして回り始めます。
みんなもそれぞれ回して、確かめてみました。
 
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今日は、回転パワー大実験の1回目でした。

自転車は走り出すと倒れにくくなりますね。
止まっている自転車だとすぐに倒れてしまいますが、走っている自転車は倒れにくいです。
そのことを実験で試してみましょう。

車輪に取っ手をつけて、両手で車輪を支えます。
車輪が回っていないと簡単に車輪を横に倒すことができます。
では、車輪を勢いよく回してから、同じように横に倒してみましょう。
車輪が強く抵抗します。
まわっている車輪を横に倒すのは大変なことがわかります。
だから走っている自転車は倒れにくいのがよくわかりました。

みんなにも順に体験してもらいました。


車輪は速く回るほど安定するということがよくわかりました。

まわると倒れにくいというのは、コマと同じですね。
車輪もコマになるのでしょうか?
勢いよく回してコマのように立てると、安定して回っていました。


今度は不思議なことを実験で見せましょう。
車輪を勢いよく回して、ひもの先に輪を作って片方の取っ手に通してぶら下げます。
すると車輪は落ちないで回っています。


止まっている車輪では、できないことです。
先生は指で支えてみました。車輪はまわろうとする動きをするので、車輪をぶら下げている先生も一緒に回っていないといけません。


次は穴あきコイン競走です。
先ほどの車輪を使って、回転台を作ります。
回転台を回して、その上に5円玉を走らせます。
5円玉を乗せるのがなかなかむつかしいのですが、うまく乗せられると、回転台の上で5円玉が回転して走っています。

みんなも実際にやってみました。
なかなかむつかしいですが、うまく乗せられると長く回っています。
つまようじよりも細いストローを使ったほうが上手に乗せられるようです。
コインの向きにも注意をしないとうまく回すことができません。

今度は風船を使ってコインのサーカスをします。
半透明の風船中に10円玉を入れます。
風船を膨らまして風船の口をしっかり押えて回転させます。
すると風船の中でコインがすごいスピードで走り回ります。


みんなも実際に試してみました。
勢いよくコインが風船の中をぐるぐる回るのは、なんとも不思議な感じのようでした。


一円玉、五円玉、十円玉、五十円玉などで試してみました。
回っているときのヒューヒューとなる音がコインの種類によって違うのが分かります。
これは、コインの周りにギザギザがあるのとないのとで違いが出るようです。

サーカスでオートバイが球形のさくの中をぐるぐる回っているのを見たことがありますか?
あれと同じことが風船の中でできています。

回転しているものは安定するということがよくわかりました。

最後は実験セットを使って、コマをスターターで勢いよく回します。
このコマの先端は磁石になっているので、ヘビや迷路のプレートにくっつけて回すととても面白い動きをします。

みんなは、ヘビを何匹も使ったりして、その面白い動きに夢中でした。


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今日は、浮き沈みおもしろ実験の2回目でした。

最初は、浮き沈みロボットです。
タレビンの大を2つに切って、底側をさかさまに差し込んで、浮沈子を作ります。
この中に入浴剤のバブのかけらを入れて、ネットでふたをします。

こんな感じです。


これを水槽に入れると、底に沈みますが、バブが水に溶け始めて、ブクブク泡が出始めます。
ある程度泡がたまるとビンが浮かび上がってきます。
水面まで上がると、ネットを通して泡が空中に出てしまい、またビンが沈みます。
そしてまた泡がたまると浮き上がり、水面まで来ると沈みます。
このように、ビンが沈んだり浮いたりをバブがなくなるまで繰り返します。


バブが反応して出しているのは炭酸ガス(CO2)です。
ネットの網目が小さいので、水中ではガスはあまり漏れ出しません。
水面まで上がって空中にネットが出ると、炭酸ガスは外に出てなくなってしまい、ロボットが沈みます。
水中でネットから炭酸ガスが出ないのは、水の表面張力のせいです。

次は、水と油の時計です。
実験用のペットボトル連結器を使って、2つのペットボトルをつなぎます。
1つにはサラダオイルが入っています。もう1つには水が入っています。
水のほうには食紅で青い色を付けておきました。
サラダオイルの入った方のペットボトルを上にしていると何も起こりません。
ではこれをひっくり返してみましょう。
青い玉がポトリポトリと落ちていきます。


砂時計のようですね。
水とサラダオイルでは、水のほうが重い(比重が大きい)ので、水は下に落ち、サラダオイルは上に上がっていきます。
水と油はとても仲が悪いので混ざったりはしません。
サラダドレッシングを見てもフレンチドレッシングはオイルと水(水分)が分離しています。
ドレッシングはかける前によく振らないといけませんね。

このようなものも売られています。


お皿に付いた油汚れは水だけではきれいにできません。
洗剤を使うと油汚れをきれいに落とすことができます。
洗剤は水と油をよくなじませてくれます。

次は天秤を使って、水に入れるとどちらが下がるかを実験しましょう。

空中で天秤に釣り合っているナットと粘土があります。
天秤に釣り合っているということは同じ重さだということです。


このナットと粘土を水につけてみましょう。
まず、一つだけ水につけましょう。
ナットだけを水につけると、天秤は粘土のほうが下がります。
水につけるとナットが軽くなったということです。
今度は、粘土だけを水につけましょう。
ナットのほうが下がったので、粘土が軽くなったことが分かります。

では、ナットと粘土の両方を水につけるとどうなるでしょうか?
どちらも軽くなるはずですが、同じ重さだから水の中でも釣り合うでしょうか。

ハイ。結果は


空中で同じ重さでも大きなものほど、水中では軽くなることが分かります。

ETのキーフォルダーや陶器製の狸でも実験しました。



陶器の狸の場合は、水の中でも釣り合いました。
できている材質がほぼ同じなので、体積もあまり変わらないようです。

これが、アルキメデスの原理です。
「水」中の物体は、それが押しのけた「水」の重さだけ軽くなる。
ということです。
「水」以外でも他の液体、気体でも同じことが成り立ちます。
海水は水よりも比重が大きいので、プールよりも海のほうがよく体が浮くわけです。

人で例えるなら、同じ体重でもやせた人と太った人では、太った人のほうが水中では軽くなる(浮きやすい)ということです。

今から2200年以上前、シラクサの王から王冠を壊さずにこの王冠が混ぜ物の入っていない純金でできているかどうかを調べろ、とアルキメデスが言われたそうです。
アルキメデスはお風呂に入っていた時に、わかったぞ、と言って裸で風呂屋から走って帰ったという逸話があります。

つまり、王冠と同じ重さの純金を天秤にぶら下げて、両方を水につけて釣り合うかどうかで調べたようです。
王冠も純金であれば水中でも釣り合うはずですが、混ぜ物がしてあれば(金より軽いものが混ざっているので体積は増えていますから)水中では王冠が純金より軽くなってしまうというわけです。

鉄は水より重いのに、鉄でできた船はどうして水に浮かんでいるのでしょう?
鉄より重い鉛の板を使って、船を作って確認しました。
船の胴体を太くすると水に浮かぶことが分かります。


水に沈むお湯呑みも水に浮かすことげできますね。


水をたくさん押しのける形を作ると、それだけ大きな浮力を受けることが分かります。

最後は、実験セットに入っているスポンジでできたネコ君に魚を釣り上げさせるゲームをしました。
前回のペットボトルを使った浮沈子と同じ原理ですが、ペットボトルを押すと、スポンジのネコ君が沈んで行って魚を釣ることができます。


みんなも夢中になって遊んでしまいました。
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今日は浮き沈みおもしろ実験の1回目です。

水に浮くものと沈むものをいろいろ調べてみました。
用意したのは、ニンジン、大根、ゴボウ、トマト、なす、キュウリ、大豆、小豆、トウモロコシ、お米などです。



何が水に浮いて、何が水に沈むでしょうか?
みんなで予測を立てながら、実験で試しました。



実験結果をホワイトボードに書いていきました。


すべてを書き出してみると、ある傾向があることに気が付きます。

地上になるもの:キュウリ、ナス、トマト、リンゴなどは水に浮きました。
地中にできるもの:ニンジン、じゃがいも、レンコンは水に沈みました。
種子:大豆、小豆、トウモロコシ、お米は沈みました。
だいたい、このような傾向があるようですが、必ずそうだというわけではありません。
地中にできるゴボウは沈まずに浮きます。
今日の実験では大根も浮きましたが、大根は外側の部分、芯の部分、先のほう、上のほうで浮く部分と沈む部分があるようです。

次は、ニンジン潜水艦を浮上させる実験です。
まず潜水艦の作成。
ニンジンを潜水艦の胴体にして、その上にキュウリを爪楊枝を使ってさします。
これで見た感じ潜水艦の出来上がり。
この潜水艦を水槽に入れると、底に沈みます。


ここに、サイホンの原理を使って水槽に魔法の水を注ぎ入れます。
魔法の水には食紅で色を付けています。

魔法の水が入っていくと潜水艦が浮き始めました。


この魔法の水は10%の食塩水です。

水より比重の重い食塩水が入ってきたことで、水には沈んでいた潜水艦が食塩水には浮くので浮上してきたわけです。

次は、三種類の比重の違う水を使って、野菜類がどこに浮かぶかを実験で見てみましょう。
使うのは、水と、10%の食塩水、25%の食塩水です。

食塩水には赤と青の食紅で色を付けています。
ピペットを使って水を入れたコップに10%の食塩水、25%の食塩水を慎重に入れます。


きれいな3層の水のコップができました。

ここに、大豆、ジャガイモ、ニンジン、キュウリを入れます。
それぞれ浮く位置が違っています。


食塩水と水の重さ比べをストローを使って見てみましょう。
コップに同じ高さに水と食塩水を入れます。
ストローで水を吸い上げて、食塩水のほうに入れます、水の高さは同じはずなのに、食塩水の中では水の入ったストローの水の高さが食塩水より上がっています。

逆に食塩水をストローで吸い上げて水の中に入れると、ストローの中の食塩水の高さは水より下がります。

次は水の2階建てを作る実験です。
水と10%の食塩水を使って水の階建てを作ります。
これを作るのには少しテクニックがいります。
コップの口まで水と食塩水を注ぎます。
水のほうにプラスチックのファイルケースを切ったシートをかぶせて、食塩水のコップにかぶせます。


そしてシートをゆっくり引き抜くと、水の二階建ての出来上がりです。


慎重にやらないと水がこぼれて大変なことになります。

では、逆に真水のコップが下で食塩水のコップが上の時はどうなるでしょうか?
これな自分で実験して試してみてください。

食塩水ではなく、水とお湯でも水の2階建てはできます。
お湯には黄色い食紅で色を付けています。


しばらく置いておくとお湯がだんだん冷めて、2階部分が下に落ちてきました。

最後は、実験セットに入っている魚型のタレビンとナットを使って浮沈子を作ります。
みんなに持ってきてもらったペットボトルに水を入れて中に浮沈子を入れます。
このとき浮沈子がちょうどぎりぎり水面に浮くように浮沈子に少し水を入れて調整しないといけないのですが、これが結構むずかしかったですね。
それでも全員、自分のペットボトルにお魚が浮かんで、ペットボトルを指で押さえることで魚を沈めたり浮かしたりできました。

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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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