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、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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今日は静電気びっくり実験の1回目でした。


みんなは静電気って知っていますか?
冬にセーターを脱いだ時にパチパチ音がした経験はありませんか?
自動車や家のドアに触った時に手にパチッと電気がきたことはないですか?

静電気はパチパチと放電するイメージですが、今日は実験で静電気の性質を確かめてみましょう。


静電気の一つの性質は「ものを引き付ける力」があるということです。
それを確かめてみましょう。

まず、小さなものから
つまようじを 香辛料(今回はバジル)のビンにのせます。
ストローをティッシュでよくこすってからつまようじに近づけるとつまようじが動きます。




すごい勢いでストローに吸いついてきて、くるりっとつまようじが回ります。

もっと大きいものでもやってみましょう。


孫の手をペットボトルにのせて同じようにストローをティッシュでこすって近づけると孫の手も回すことができます。



長い木の棒や傘もやってみました。

傘のような大きなものもストロー一本で回ることには、みんなもびっくりでした。





木や竹でできた孫の手は電気を通さないものですが、電気をよく通すスプーンはどうでしょうか?
スプーンでも同じように回りました。



今度は水を曲げてみましょう。
ペットボトルに穴をあけたものに水を入れて、水をちょろちょろと流します。
ここにストローをティシュでこすって近づけると、水も曲げることができました。
水も静電気に吸い寄せられたことがわかります。
写真をうまく撮れなかったのですが、びっくりするくらい、水も曲がります。



つぎは、空き缶をストロー一本で動かす実験をしました。
軽いアルミの缶も大きなスチールのトマトの缶や海苔の缶も転がすことができました。



次は、静電気には2種類の静電気があることを実験で確認しましょう。
まず、静電気の起こっていない(ティッシュでこすっていない)ストローをペットボトルにのせます。
これにティッシュでこすったストローを近づけるとストローはくっついてきます。
これは先ほど実験した、静電気が物を吸い寄せる力ですね。

では、ティッシュでこすったストローをペットボトルにのせて、ティッシュでこすったストローを近づけると、ペットボトルの上のストローは逃げていきます。
ティッシュでこすったストローどうしだと、反発しあって逃げていきます。


これは、磁石でN極とN極どうし、またはS極とS極の同じ極どうしが反発するのと同じですね。
同じ種類の静電気どうしだと反発しあうことがわかります。

では、消しゴムでこすったストローを先ほどのティッシュでこすったストローを近づけると、どうなるでしょう?
今度はストローが吸いついてきます。

ということは、ティッシュでこすった時の静電気とは違う種類の静電気が起こっていることになります。

ティッシュでこすったストローには実は、マイナスの静電気が起こっていました。
プラスチック消しゴムでこすった時のストローにはプラスの静電気が起こっているのです。

このように同じストローでも何とこすれるかで、発生する静電気の種類が違うことがわかります。




「帯電列表」というものがあって、何と何がこすれた時にどちらがよりプラスに帯電しやすいか、マイナスに帯電しやすいかの目安を表したものがあります。
それを見ると、ストローは紙よりもマイナスに帯電しやすく、ビニールよりもプラスに帯電しやすいことがわかります。

ただし、必ずそうなるというものでもなくて、様々な条件で変わることもあって、あくまで「目安」という表になります。


同じ種類の静電気は反発しあうという性質で、おもしろい実験をしましょう。
袋の中で踊るビーズの実験です。
ガラスビーズをポリ袋に入れて、ポリ袋をよく振ります。
すると中のビーズが袋の中で浮かんでいます。
ビーズどうしが同じ種類の静電気に帯電したので、反発しあっていることがわかります。
このポリ袋にストローをティッシュでこすって静電気を起こして近づけると、袋の中でビーズが踊ります。



次は電気クラゲの実験です。
荷造り紐(ポリエチレン製)を20センチ位に切って、端を縛って細く裂きます。
これを机の上でティッシュで机にぴったりくっつくまでこすっておきます。
次に塩ビパイプを布でこすって、机にくっつている紐を上にほうり上げて、塩ビパイプを下から差し上げます。
すると荷造り紐がクラゲのように足を広げて空中に浮かびます。

クラゲの足も同じ種類の静電気が起こっているので、足どうしが反発しあって大きく広げます。
紐をほうり上げるときに少しコツが必要です。




あまり体の近くだと静電気のくっつく力で自分の体にくっつてしまいますので、遠くにほうり上げるようにして、塩ビパイプを差し上げる必要があります。

生徒たちは、実験セットの「すごい手」を使って電気クラゲを浮かせることに挑戦しました。

何度かやっているとうまく出来るようになります。


電気クラゲをうまく飛ばすことができなかった生徒もいましたが、もう一つの紙の車輪を転がす実験セットはみんなうまく出来ました。




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今日は、電池・電気おもしろ実験の2回目でした。


最初は、備長炭で強力電池の実験です。
備長炭を使って電池を作ります。
まず、備長炭の周りに濃い食塩水をひたしたペーパータオルを巻きます。
その上からアルミホイルを巻いて、一端はアルミホイルをしぼっておきます。
これで備長炭電池の出来上がりです。


アルミホイルをしぼった方が-極、備長炭が出ているもう一方の端が+極になっています。
前回使った、ICメロディーにつないでみましょう。
前回は紙コップ電池を3つ直列につながないとちゃんとメロディーが聞けませんでしたが、備長炭電池では1つでちゃんとメロディーが聞こえます。
それだけ、電池の力が強いということですね。



テスターで電圧を測ってみました。
備長炭電池は、1つで0.9ボルトありました。

モーターにつけたプロペラを回したり、豆電球、LED電球などを光らせたりして確かに電池ができたことを確認しました。



次は、シャーペンの芯でエジソン電球を再現してみましょう。
エジソンは、電球の芯(フィラメント)になるものとして何が一番長持ちするのかを、6000種類もの素材を実験したそうです。
たまたま机の上にあった扇子の竹から作ったフィラメントが、今までで一番長持ちしたため、「竹がいい。」ということで、全世界の竹を集めて実験したそうです。

その中で最も長く光り続けた(焼切れなかった)のが、京都の八幡の竹から作ったフィラメントでした。
八幡の竹で作った白熱球は全世界を明るくしたのです。


今では、フィラメントはタングステンで作られていますが、電球はもう作られなくなり、電球に変わって広く使われた蛍光灯もLEDに変わってきています。


今日の実験では竹から作ったフィラメントではなく、シャープペンシルの芯を使います。
ゼムクリップにシャープペンシルの芯をはさんで、電池につなぎます。
電池は、単一電池を6個直列につないだものです。

電気を通すと最初、芯から白い煙が出ますが、これはシャーペンの芯にコーティングされているものが燃えたためです。




しばらくすると、芯は真っ赤に光ります。
真っ赤な光がだんだんと白い光に変わっていくのがわかります。




しかし、1分くらいで、芯が焼切れてしまいました。



これが、エジソンが苦労したところですね。
出来るだけ長持ちする焼切れない芯を探して、世界中から竹を集めたのですから。


次は、備長炭を使ってアーク灯の実験をします。
エジソン電球ができるまでは、電気照明はアーク灯というものが使われていました。
アークとは弓状(アーク)のアーク放電を利用した電灯です。
これもシャープペンシルの芯を使って再現してみましょう。
電池は先ほどのエジソン電球の実験のものを使います。
備長炭とシャーペンの芯の間に電圧をかけて放電を起こさせます。
放電なので、備長炭にシャーペンの芯がくっつかないぎりぎりに所にセットするのがコツです。
しばらくすると白い光が芯の先端からほとばしります。
この白い光がアーク放電の光です。


鉄骨の溶接の時にも光が出ますがあれも同じ原理で光っています。
非常に明るい光なので、街灯などに使われていました。


みなさんは発電所で電気を作っていることは知っていますが、どうやって電気を作っているか知っていますか?
発電所の発電機は、モーターなのです。
モーターと発電機は同じものです。
電気が流れると回るのがモーターで、力をくわえてモーターを回すと電気を起こすのが発電機です。

ではそれを実験で確かめてみましょう。


モーターに豆球をつないで、モーターの回る棒のところに自転車の虫ゴムをつけて、棒で思いっきりモーターの芯を回します。
モーターの芯が回ると豆球がちらっと光るのがわかります。
電気を発電しているということですね。
でも、この方法は大変なので、モーターにプロペラをつけてブロアーで風を送ってモーターのプロペラを回します。
すると豆球がピカッとよく光りました。


これはまさに風力発電そのものです。

別な方法でも発電してみましょう。

変な実験ですがモーターを2つ使ってモーターの芯どおしを虫ゴムでつなぎます。
片方のモーターに豆球をつないで、もう一方のモーターを乾電池で回すと、豆球が光ります。


でも豆球の明るさは直接電池をつないだ時よりも暗くなっています。

電気→回転→電気とエネルギーの形が変わっているので、それだけ効率が悪くなっているということです。

水力発電はダムでためた水の力で発電機を回して、電気を起こしますし、火力発電は火でお湯を沸かしてその蒸気の力で発電機を回して電気を起こしています。
原子力発電も原子力によってお湯を沸かして蒸気で発電機を回して発電しています。


手回し発電機もみんなに回してもらいました。

手回し発電機の中にモーターが入っているのが見えます。
回す速さの違いでLEDランプの光の強さが変わることがよくわかります。
速く回すほど明るく光ります。



発電の方法はいろいろあります。
ソーラー発電のソーラーパネルは、これらとは全く違う原理で電気を起こしていますし、水素を使う燃料電池は化学反応によって電気を起こしています。



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