高等学校
平 成13年 度
教 育 研 究 員 研 究 報 告 書
駒
東 京 都 教 職 員 研 修 セ ン タ ー
平 成13年 度
教 育 研 究 員 名 簿(理 科)
分 野 学 校 名 氏 名
物
理
都 立 新 宿 高 等 学 校 都 立 淵 江 高 等 学 校 都 立 葛 飾 商 業 高 等 学 校
佐 藤 浩 司
神 庭 郁
村 中 博 志
化
学
都 立 足 立 西 高 等 学 校 都 立 青 井 高 等 学 校 都 立 城 東 高 等 学 校 都 立 多 摩 工 業 高 等 学 校
服 部 幸 一 郎 今 泉 久 美 子
桝 井 直 美
小 室 博 道
生
物
都 立 農 芸 高 等 学 校 都 立 水 元 高 等 学 校 都 立 拝 島 高 等 学 校
松 村 忠 幸
福 田 朱 美
渡 邊 正 治
担 当 東京都 教職員研修 セ ンター 指導主事 荒 川 洋
身近 な事 象 につ いて関心 を もたせ 、 科学 的に考 え るカを育て る理科の 指導
目 次
1主 題設定の理 由
∬ 研究方針 と研究上の留意 点
2
研究構想図
研究内容
2
皿
1
2
3
運 動 量 を 題 材 に して 、 自 ら探 究 し て い く力 を 育 成 す る 指 導
身 の 回 りの エ ネ ル ギ ー を 題 材 に して 、
3
科学 的に考 える力 を育てる指導
遺伝子組換 えを題材 に して、
4
遺伝 子研 究の成果 と問題点 を科学的 に考 えさせ る指導
11
N研 究のま とめ と今後の課題
18
24
一1一
身 近 な事 象 に つ い て 関 心 を もた せ 、
科 学 的 に考 え る カ を育 て る理 科 の 指 導
1主 題 設 定 の 理 由
新 し い 世 紀 を 迎 え 、 高 度 情 報 化 、 国 際 化 が 進 展 し て い く 中 で 平 成14年 度 か ら完 全 学 校 週5 日 制 が 実 施 され 、 平 成15年 度 か ら は 新 し い 学 習 指 導 要 領 が 実 施 さ れ る 。 新 し い 学 習 指 導 要 領 に お い て は 、 多 く の 知 識 を 教 え る こ と に 重 点 が お か れ て い た 今 ま で の 教 育 か ら 、 「自 ら 学 び 、 自 ら 考 え る 力 」 の 育 成 を 重 視 し た 教 育 へ の 方 向 転 換 が 図 ら れ よ う と し て い る 。
将 来 に お い て も 科 学 の 役 割 は 重 要 度 が 増 す 中 で 、 環 境 問 題 、 遣 伝 子 組 換 え や 臓 器 移 植 な ど の 生 命 倫 理 の 問 題 、 エ ネ ル ギ ー 問 題 な ど が 社 会 問 題 と し て 取 り 上 げ ら れ て い る 。 そ し て 、 科 学 技 術 を 利 用 す る 一 人 一 人 の 人 間 の 考 え 方 が 今 ま で 以 上 に 重 要 に な っ て お り、 多 様 化 す る 社 会 に お い て 氾 濫 す る 情 報 か ら 必 要 な 情 報 を 取 り 出 し 、 主 体 的 に 物 事 を 考 え 、 科 学 的 に 正 し い 判 断 の で き る 人 間 の 育 成 は 、 理 科 教 育 の 重 要 な 使 命 で あ る と 考 え た 。
ま た 、 自 然 体 験 の 不 足 な ど か ら理 科 離 れ が 進 み 、 高 校 生 に は 理 科 嫌 い が 多 く 見 受 け られ る よ う に な っ た 。 こ の よ う な 社 会 状 況 を 踏 ま え 、 観 察 、 実 験 を 通 し て 、 生 徒 に 身 近 な 事 象 に 疑 問 や 興 味 を も た せ 、 問 題 解 決 や 探 究 活 動 を 行 う こ と に よ っ て 、 科 学 的 思 考 力 や 判 断 力 を 養 う
た め に 、 「身 近 な 事 象 に つ い て 、 関 心 を も た せ 、 科 学 的 に 考 え る 力 を 育 て る 理 科 の 指 導 」 を 研 究 主 題 と し て 設 定 し た 。
こ の 「科 学 的 に 考 え る 力 」 は 、 基 礎 的 な 知 識 ・理 解 を 基 に 科 学 技 術 の 成 果 と 問 題 点 に つ い て 主 体 的 に 考 え 、 正 し く判 断 し 、 科 学 的 な 根 拠 を も っ て 自 分 の 意 見 を 述 べ ら れ る 力 と 考 え 、 物 理 、 化 学 、 生 物 の3分 野 に わ た っ て 研 究 す る こ と に し た 。
皿 研 究 方 針 と 研 究 上 の 留 意 点
本 研 究 で は 、 新 学 習 指 導 要 領 の 趣 旨 を 十 分 い か し な が ら 、 身 近 な 事 物 ・現 象 を と り あ げ 、 生 徒 が 知 的 好 奇 心 や 探 究 心 を も っ て 観 察 、 実 験 に 臨 み 、 そ れ ら を 通 し て 科 学 的 思 考 力 や 問 題 解 決 能 力 を 身 に 付 け 、 「自 ら 学 び 、 自 ら 考 え る 力 」 を 養 う た め の 研 究 を 試 み た 。 ま た 、 物 理 、 化 学 、 生 物 の 各 分 野 の 特 性 を 生 か しな が ら 、 観 察 、 実 験 を 通 し 、 多 様 な 事 象 に つ い て 客 観 的
に 考 察 し て 合 理 的 に 思 考 す る 能 力 の 育 成 を 研 究 す る こ と に よ り、 主 題 の 解 決 に 迫 っ た 。 そ こ で 、 今 ま で の 教 育 改 革 の 動 き 、 研 究 主 題 、 研 究 の 進 め 方 な ど の 関 係 を 明 確 に す る た め に 右 の 研 究 構 想 図 を 作 成 し 、 本 研 究 を 進 め て い く 上 で の 方 針 と し て 次 の3点 を 設 定 し た 。 1生 徒 の 興 味 ・関 心 を 高 め る た め 、 観 察 、 実 験 の 教 材 と し て 身 近 に あ る 事 物 ・現 象 を と り あ
げ 、 生 徒 の 学 習 意 欲 を 喚 起 す る よ う に し た 。
2観 察 、 実 験 を 通 し て 、 生 徒 の 科 学 的 に 物 事 を 調 べ る 能 力 や 態 度 を 育 成 し 、 科 学 的 な も の の 見 方 や 考 え 方 を 培 う こ と に 重 点 を お い て 研 究 を 行 っ た 。
3観 察 、 実 験 や 教 材 の 理 解 の 補 助 、 情 報 通 信 ネ ッ トワ ー ク の 活 用 の た め に コ ン ピ ュ ー タ を 積 極 的 に 活 用 す る よ うに し た 。
一2一
ま た 、 本 研 究 を 進 め る 上 で 次 の2点 に 留 意 し た 。
(1)現 行 の 学 習 指 導 要 領 だ け で な く 、 新 学 習 指 導 要 領 の 趣 旨 も 踏 ま え な が ら 研 究 を 進 め る 。 (2)生 徒 の 実 態 を 考 慮 し、 指 導 計 画 や 教 材 、 指 導 法 の 改 善 ・工 夫 に 努 め る と と も に 、 生 徒 が 観
察 、 実 験 、 レ ポ ー ト作 成 な ど に 主 体 的 に 取 り組 む 意 欲 も評 価 す る 。
研 究 構 想 図
主題の背景
圃
教 育 審 議 次 答 申(H9.7)
目 課 程 審 答 申(H10.7)
学 習 要 領(H11.3)
東 泉 都 教 目 委 員 教 育 目 標(Hl2.1) 都 立 高 校 改 革 推 進 計 画(H9.9)第 二 次 実 施 計 画(HIL10)
↓
生 徒 の 実 態
・能 力 ・適 性 の 多 様 化
・興 味 ・関 心 の 多 様 化
・実 体 験 の 不 足
・情 報 の 氾濫
・理 科 離 れ
↓
壷
身近 な事象 について 関心 をもたせ 、 科 学的 に考 え る力 を育 て る理科 の指 導
r"『
主 題 を 受 … け 『 て ㌧
・海の ら い
Lる
物理
〆 身 近 に あ るもの を用 いた簡 ボ な 実 験 か ら 運 動 の 第2法 則 や 力 積 と運 動 量 の 概 念 を 理 解 させ 、 さ ら に 力 学 台 車 を用 い た 衝 突 実 験 な どか ら衝 突 時 の 運 動 量 の 移 動 に 気 づ か せ て い く。
㌧ ノ
壷 、
践
壷
化学
身 の 回 りの エ ネ ル ギ ー は 、 状 態 変 化 及 び 化 学 変 化 に 伴 い 出 入 りす る も の で あ る こ と を 実 験 や 課 題 学 習 を 通 し て理 解 させ る。
‑v勤
報 道 等 を 通 して 身 近 な 問 題 に な っ て い る 「遺 伝 子 組 換 え 」 を 題 材 に して 、 遺 伝 子 研 究 とそ の 応 用 に っ い て 客 観 的 に 判 断 し、 自分 の 意 見 が 述 べ られ る よ うに す る 。
・ 「運 動 の 第2法 則 」 の 実 験
・ 運 動 量 と力 積 の 関 係 を 学 習
・ 衝 突 時 のltグ ラ フ を作 成 す る 実 験 か ら力 積 を考 察
・ 「運 動 量 保 存 の 法 則 」 を確 認 す る 実験 の 考 察 ・実 践
物 質 の 状 態 変 化 に つ い て の 学 習 ・実 験
燃 焼 とエ ネ ル ギ ー に つ い て の 学 習 ・実 験
様 々 な 反 応 と そ の 反 応 熱 の 実 験
エ ネ ル ギ ー の 利 用 に つ い て の 課 題 学 習
指 先 に付 着 して い る微 生物 の観 察
遺 伝 子組 換 えの 基礎 的 学 習 自作 ビデ オ に よ る遺 伝 子組 換 え実験 の紹 介 と ドライ ラ ボ
遺 伝 子研 究 に関 す る情 報 収 遺 伝 子研 究 の 是 非 に 関す る 意 見発表 と意見 交換
実践の評価
運 動 の 第2法 則 を 実 感 と し て と らえ 、 運 動 の 状 態 を 変 化 させ る も の は 力 積 で あ る こ と 、 そ し て 物 体 の 衝 突 時 に 運 動 量 の 移 動 が あ る こ と を 定 量 的 に 理 解 で き た か 。
物 質 の 状 態 変 化 ・化 学 変 化 の 実 験 及 び 課 題 学 習 を 通 して エ ネ ル ギ ー の 出 入 り に つ い て の 理 解 が 深 ま り 身 近 な 事 象 に 関 心 を も て る よ う に な っ た か 。
遺 伝 子 組 換 え の 原 理 を 理 解 し、
ま た 遣 伝 子 研 究 が 将 来 に もた ら す 恩 恵 と問 題 点 の 両 面 を 、 事 実
に基 づ い て 客 観 的 に 判 断 で き る よ うに な っ た か 。
3一
團
皿 研 究 内容
1運 動 量 を題 材 に して 、 自 ら探 究 して い くカ を育 成 す る指 導
(1)は じめ に
物 理 で 用 い る 運 動 量 や 力 積 とい う"こ と ば"は 、日常 生 活 で ほ とん ど使 わ れ て い な い た め 、 生 徒 に は と ら え に く い 概 念 で あ る。 む し ろ 生 徒 は"カ"に 対 して 力 積 の よ うな イ メ ー ジ を も っ て し ま い が ち で あ る。 そ の 上 、 物 理 は 体 系 立 て て い く 学 問 で あ る か ら運 動 量 や 力 積 と い う 概 念 を 形 成 す る た め に は そ れ 以 前 に 学 習 した 内 容 を 習 得 し て お く必 要 が あ る た め 、 こ の 単 元
で の 学 習 を 一 層 困 難 に し て い る。
そ こ で 本 研 究 で は 、 実 験 を で き る か ぎ り多 く行 い 、 運 動 量 と力 積 とい っ た 分 か りに くい 概 念 や 運 動 の 第2法 則 を と ら えや す く す る よ う に 工 夫 し た 。 ま た 、 教 材 は な る べ く身 の 回 りに あ る も の を 利 用 して 作 成 す る よ う に した 。 実 験 を数 多 く行 い な が ら、 自然 の 中 に 潜 む 法 則 性 に 生 徒 自 ら気 が 付 く よ うな 指 導 を試 み た 。
本 研 究 の 主 題 は 「身 近 な 事 象 に つ い て 関 心 を も た せ 、 科 学 的 に 考 え る カ を 育 て る 理 科 の 指 導 」 で あ る が 、 「科 学 的 に 考 え る 力 」 を 身 に 付 け させ る こ と に よ っ て 、 生 徒 が 物 理 学 を 学 ぶ 面 白 さ を 感 じ られ る よ うに した 。 そ し て 、 生 徒 実 験 に お い て は 、 実 験 結 果 を 導 く過 程 で 、 興 味 ・関 心 を も っ て 主 体 的 に 考 え る こ と が で き る よ うに 指 導 を 行 っ た 。
ま た 、 今 回 の 研 究 で は 、 運 動 の 第2法 則 の 実 験 に よ る 測 定 値 を 処 理 した り、 自作 ソ フ トに よ る シ ミュ レー シ ョ ン を 行 っ た りす る た め に 、 コ ン ピ ュ ー タ を 積 極 的 に 活 用 し た 。
(2)指 導 計 画
本 研 究 の 内 容 は 、 大 き く分 け る と3つ の 項 目 か らな っ て い る。
第 一 は 、 運 動 の 第2法 則 の 検 証 で あ る。 法 則 を 調 べ る た め に 台 車 を ゴ ム ひ も の 張 力 で 引 く 実 験 を 行 う。 生 徒 は 台 車 に 力 が 加 わ る と力 の 向 き に加 速 度 が 生 じ る こ と を 学 び 、 台 車 に 生 じ る 加 速 度 の 大 き さ は 加 え る 力 の 大 き さ に 比 例 し、 台 車 の 質 量 に 反 比 例 す る こ と を 実 験 に よ っ て 理 解 す る。 こ こ で ゴ ム ひ も を使 う こ との 利 点 は 、 ゴ ム ひ も の 本 数 と 台 車 を 引 く 力 が 比 例 し て い る の で 力 を整 数 倍 に す る こ と が 簡 単 に で き る こ と で あ る 。
第 二 は 、 運 動 の 第2法 則 か ら運 動 量 の 変 化 と力 積 の 関 係 を 調 べ る こ と で あ る 。 運 動 量 の 変 化 と力 積 の 関 係 を 導 き 、 身 近 な 事 例 を 挙 げ て 説 明 して い く。 そ の 中 で 、 運 動 の 第2法 則 の 実 験 結 果 を 利 用 して 、 運 動 量 の 変 化 と力 積 の 関 係 を 説 明 す る こ と を 試 み る。 ま た 、2台 の 台 車 を 衝 突 さ せ 、 そ れ ぞ れ の 台 車 が 受 け る 撃 力 を 求 め る 実 験 も行 う。
第 三 は 、 運 動 量 保 存 の 法 則 の 確 認 で あ る。 科 学 的 に 探 究 す る 態 度 を 育 て る こ と を ね らい 、 新 学 習 指 導 要 領 の 「物 理 皿」 に あ る 「課 題 研 究 」 を想 定 しな が ら実 践 した 。 運 動 量 の 変 化 と 力 積 の 関 係 か ら運 動 量 保 存 の 法 則 を 導 き 、 そ の 法 則 を確 か め る 実 験 方 法 を 生 徒 が 考 え 、 実 際 に 生 徒 の 計 画 した 方 法 で 実 験 を 行 い 、 法 則 を 生 徒 自 らの 力 で 確 か め させ る こ と を 目指 した 。
以 上 の 点 に 留 意 し て 、 次 に示 す よ うな 指 導 計 画 を 作 成 し た 。
・4・
表1‑1指 導 計 画
指 導 項 目 ・内容 学習活動 留意点
第 運動 の第2法 則 台 車 に カ を加 え る とき 、 カ を加 え た 向 き に加 速 ゴ ム ひ もの 本 数 が 台 車 を 引
1 (実験) 度 が 生 じ る こ とを確 か め 、 台 車 に 生 じる加 速 度 と くカ に 比 例 して い る こ とを 生 時 力 及 び 台 車 の 質 量 との 関係 を調 べ るた め の実 験 を 徒 に理 解 させ る。ゴ ムひ もの 本
行 う 。 数 に よ らず ゴ ム ひ も の 伸 び を
一 定 に させ る。
第 運動 の第2法 則 台 車 に加 え た カ と生 じた 加 速 度 の グ ラ フか ら加 日常 語 と して の"カ"と 物 理 2 ① 加 速 度 と力 の 関係 、 速 度 とカ が 比 例 す る こ と、加 速 度 と質 量 の グ ラ フ で 用 い る"カ"を 区 別 させ る 。
時 加速度 と質量の関係 か ら加 速度 と質 量 が反 比例 す る こ とを理 解す る。
② 運動方程式 運動 方程 式 を導 き 、力 の 単位 に つ いて 考 察 す る。
③ 力の単位
第 運動量 と力積 の関係 運 動 量 の 変 化 と力 積 の 関係 を 運 動 の 第2法 則 よ 運 動 量 と力 積 の 関 係 をヘ ル 3 ① 運動 量の定義 り導 き 、 力 積 の 定 義 と単 位 につ い て 考 え る。 実 験 メ ッ ト、サ ー カ ス の ネ ッ トの 役
時 ② 運動量の変化 と力積 「運 動 の 第2法 則 」の デ ー タ か ら台 車 の 運 動 量 の 割 、ボール の捕球方法 な どの身 との 関係 変 化 と ゴ ム ひ も の 与 え た 力 積 との 関係 を調 べ る。 近 な例 を 挙 げ て説 明 す る。
③ 力積 の単位
第 運動 量 の変 化 と力 積 の 衝 突 す る台 車 のv‑〃 ラ フ を 作 成 す る 。 撃 力 の 誤 差 を 少 な くす る た め 、 グ 4 関係 最 大 値 を 求 め る 。j‑rグ ラ フ を 作 成 し 、 台 車 が 受 ラ フ は な め らか な 曲 線 で 描 く 時 (実 験) け た 力 積 を求 め 、 運 動 量 の 変 化 と比 較 す る。 よ うに 指 導 す る。
第 運動量保 存の法則 運動 量の変化 と力積の関係か ら運動 量保 存の法 台 車 を 用 い た衝 突 、合 体 、分
5 ① 運動 量保 存の法則を 則 を 導 く。 裂 の い ず れ か の 実 験 も ど こ か
● 導 く 運動 量保 存の法則 を確か める実験方法 を考 察す の グ ル ー プ で 行 わ れ る よ うに
6 ② 法則 を検 証す る実験 る 。 指 導 し て い く。
時 の考察
第 運動量保 存の法則 各 グ ル ー プ で 前 の 授 業 で 考 え た方 法 で 運 動 量保 失 敗 して い る グル ー プ に 随
7 (実 験 〉 存 の法則 を確 か め る実 験 を行 う。 時 適 切 な ア ドバ イ ス を して い
時 く 。
第 運動量保存の法則 運 動 量保 存 の 法 則 の 実 験 結 果 に っ い て の 考 察 を 実 験 が うま く行 か な か っ た 8 (実験 の ま とめ) 行 う。 そ の 後 、 水 ロ ケ ッ トの 実 験 を 行 い 、 運 動 量 場 合 は、そ の理 由 につ い て 考 え 時 ① 実験結果の考察 保 存 の 法則 に関 す る理 解 を さ らに深 め る。 させ る 。
② 水 ロ ケ ッ トの実 験
(3)授 業 実 践 と教 材
① 実 験 「運 動 の 第2法 則 」
運 動 の 第2法 則 を 検 証 す る 実 験 と し て 、 一 般 に 行 わ れ る も の は 、 バ ネ ば か り を使 っ て 台 車 を 一 定 の 力 で 引 っ 張 っ た と き の 運 動 を 調 べ る も の で あ る。 こ の 実 験 は 生 徒 に とっ て 一 定
の 力 で 台 車 を 引 っ 張 る の が 難 しい とい う欠 点 が あ る 。
そ こ で 、 本 研 究 に お い て は 、 ゴ ム ひ も の 張 力 を使 っ て 台 車 を 引 っ 張 る 実 験 を 試 み た 。 こ の 方 法 で は 台 車 を 引 っ 張 る 力 の 大 き さ を 測 定 せ ず に 、 ゴ ム ひ も の 本 数 を変 え る こ とで 力 の 大 き さ を 変 え る こ とが で き る。
と こ ろ で 、 ゴ ム ひ も の 張 力 で 台 車 を 引 っ 張 る と き 、 ゴ ム ひ も は 伸 ば し た 長 さ に よ っ て 弾 性 力 が 変 わ る の で 、 台 車 を 一 定 の 力 で 引 っ 張 る こ と は で き な い 。 同 じ弾 性 定 数 の 二 つ の バ ネ を 真 っ 直 ぐ に つ な ぐ と、 二 本 の バ ネ の 弾 性 定 数 は 小 さ く な る の で 、 長 い ゴ ム ひ も を 用 い て 引 っ 張 っ た と き 、 ほ ぼ 一 定 の 力 で 引 っ 張 っ て い る と み な せ る の で は な い か と 考 え た 。
8mの ゴ ム ひ も を用 意 し、 こ の ゴ ム ひ も に 台 車 をつ け て 長 さ11mま で 伸 ば し、放 し た と き
一5一
の 台 車 の 運 動 を 記 録 タ イ マ ー に よ っ て 調 べ た 。 台 車 に 別 の 台 車 を 乗 せ 、 質 量 を2倍 と し た 。ゴ ム ひ も の 本 数 を1本 か ら6本 ま で 変 え て 引 っ 張 り、そ の 運 動 を 調 べ た 。そ の 結 果 、 ゴ ム ひ も を 使 っ て 運 動 の 第2法 則 を 検 証 す る 実 験 を 行 う場 合、 あ る一 定 の 範 囲 の ゴ ム ひ も の 伸 び の 変 化 で も 、 ゴ ム ひ も の 弾 性 力 の 変 化 は 測 定 誤 差 に 入 る ほ ど小 さ く、 台 車 に 働
く力 は 、 短 い 時 間 に お い て は ほ ぼ 一 定 と み な せ る こ と が 分 か っ た 。.
次 に 、 ゴ ム ひ も の 本 数 を2本 に して 引 っ 張 っ て 、 短 い 時 間 で は 弾 性 力 が 一 定 とみ な せ る か ど うか 、 時 間 と と も に 加 速 度 が ど の よ うに 変 化 す る か を調 べ た 。 加 速 度 と ゴ ム ひ も の 本 数 の 関 係 、 加 速 度 と 台 車 の 質 量 の 関係 と の グ ラ フ を 調 べ 、加 速 度 の値 を どの よ うな 範 囲 の 平 均 で とれ ば よ い か 、 考 察 し て み た 。
実 験 に よ る と、8mの ゴ ム ひ も を11mに 伸 ば し て 台 車 に 張 力 を加 え た と き の 運 動 で は 、 動 き 始 め た と き か ら あ る 一 定 の 時 間 で の 加 速 度 の 平 均 を と る よ り、 ゴ ム ひ も が10mま で 伸 び て い る と き を 中 心 と して 、お よ そ0.2秒 間(0.02秒 間 隔 で 打 点 を 打 つ 記 録 タ イ マ ー で 11区 間 の 間)の 加 速 度 の 平 均 を と っ た 方 が 加 速 度 と力 の 関 係 、 加 速 度 と質 量 の 逆 数 との 関 係 を あ ら わ す グ ラ フ に お い て 、 よ りよ く直 線 に 近 似 で き る と い う結 果 が 得 られ た 。 ア 実 験 方 法
台 車 に 別 の 台 車1台 を 乗 せ 、ゴ ム ひ も を2本 か ら5本 に 変 え な が ら 引 っ 張 っ た と き と、
ゴ ム ひ も を2本 に して 乗 せ る 台 車 を1台 か ら4台 ま で 変 え て 引 っ 張 っ た と き の い ず れ か 一 っ を 生 徒 は 実 験 した
。 そ し て 、 この 実 験 で は 、8mの ゴ ム ひ も を11mま で 伸 ば して 台 車 に 力 を 加 え て 放 した と き 、 台 車 の 動 き を 記 録 タ イ マ ー で 記 録 し 、 台 車 が 動 き 始 め て1m の と こ ろ を 中 心 と して11区 間 そ れ ぞ れ の 打 点 間 隔 を 測 定 し た 。
イ 実 験 結 果
OOOOOOOOOOO505050505544332211
(㌔＼§)蟹鯉貝
a24s
ゴム ひもの 本数
図1‑1加 速 度 と 力 の 関 係
(圃o●＼εO)囮皿㎜胴
iコ 00.511.5
質 量 の 逆 数(1/㎏)
図1‑2加 速 度 と質 量 の 関 係
結 果 は 、図1・1、図1・2の よ うな グ ラ フ に な り、ほ ぼ 、直 線 に 近 似 で き た 。 こ の 実 験 で 、 生 徒 も 台 車 を 引 く 力 を 実 感 と と も に 、 運 動 の 第2法 則 に つ い て よ く 理 解 で き た よ うで あ
っ た 。
ウ コ ン ピ ュ ー タ の 利 用
生 徒 が 記 録 タ イ マ ー で 測 定 し た 計 測 結 果 は 、コ ン ピ ュ ー タ に 入 力 させ て 処 理 を行 っ た 。 ま た 、 ゴ ム ひ も を 使 っ た 運 動 の 第2法 則 を 検 証 す る 実 験 を シ ミ ュ レー シ ョ ン す る プ ロ グ ラ ム を 自作 した 。 そ して 、 運 動 の 第2法 則 に つ い て の 実 験 を ま と め る と き に 、 こ の 自 作 シ ミ ュ レー シ ョ ン ソ フ トに よ る ノ ー トパ ソ コ ン の 画 面 を テ レ ビ に 映 し、 説 明 の 補 助 と
・6・
して 利 用 し、'生徒 の 理 解 が 深 ま る よ う に した(図1・3)。
工 実 験 「運 動 の 第2法 則 」 の デ ー タ を 用 い て 運 動 量 の 変 化 と力 積 の 関 係 を 調 べ る
「運 動 の 第2法 則 」 の 実 験 デ ー タ を 用 い て 、 台 車 の 運 動 量 の 変 化 と ゴ ム ひ も が 台 車 に 与 え た 力 積 を 調 べ た 。
ゴ ム ひ も が 台 車 を 引 く 力 は 、 実 験 中 に ば ね ば か りな ど を使 っ て 測 定 し て お く と い う方 法 も あ る が 、 これ で は 実 験 が 複 雑 に な っ て しま うた め 、
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図1‑3自 作 ソ フ トの 画 面
今 回 は 実 験 で 得 られ た 加 速 度 か ら 計 算 で 求 め た 。 ま た 、 ゴ ム ひ も が 台 車 を 引 っ 張 っ て い た 時 間 は 記 録 テ ー プ の 打 点 数 を 数 え る こ とで は か り、 台 車 の 速 さ は2打 点 間 の 間 隔 か ら 算 出 した 。 ど の 生 徒 も よ い 結 果 が 得 られ 、 生 徒 は 学 習 に 対 して 満 足 し て い た 。
運 動 の 第2法 則 の 実 験 と し て は 失 敗 と思 わ れ る 実 験 デ ー タ さ え 、 台 車 の 運 動 量 の 変 化 と ゴ ム ひ も の 与 え た 力 積 との 差 は 小 さ く、 こ れ ら の 関 係 を理 解 させ る効 果 は あ っ た 。 誤 差 が0%と い う生 徒 も 多 く 、 授 業 で 学 ん だ 内 容 が 、 そ の ま ま 現 実 の 現 象 で も成 り立 つ の だ 、 とい う こ と を 実 感 し驚 い て い た 。 物 理 に 苦 手 意 識 の あ る生 徒 に 対 して 、 こ の 作 業 は 特 に 効 果 的 で あ り、 運 動 量 や 力 積 の 概 念 形 成 に役 立 っ た 。
② 実 験 「運 動 量 の 変 化 と 力 積 の 関 係 」
2台 の 力 学 台 車 を 衝 突 させ 、 そ れ ぞ れ の 台 車 のv‑tグ ラ フ か らfrグ ラ フ を 作 成 し、
台 車 が 衝 突 時 に 受 け た 力 積 を 求 め 、 衝 突 前 後 の 運 動 量 の 変 化 と比 較 し関 係 を 調 べ た 。 台 車 と台 車 を 衝 突 させ た と き に 撃 力 が 働 い て い た 時 間
は コ ンパ ク トな 台 車 で は 大 変 短 く 、 記 録 タ イ マ ー を 用 い てV‑tグ ラ フ を 作 成 す る こ と は で き な い 。 そ こ で 、 台 車 と台 車 の 接 触 時 間 を 長 く す る た め 、 図1・4の よ うな リ ン グ ば ね を 作 成 し て 実 験 で 用 い た 。
ア リ ン グ ば ね
厚 さ0.5mmの 塩 化 ビ ニ ル 製 の 板 か ら リン グ(直 径 約 llcm)を 作 り、 図1・4の よ うに 穴 を あ け 、 ス トロ ー を 差 し込 み 、 適 切 な 大 き さ の 厚 紙 を ス トロ ー に は め 込 む 。 リ ン グ が 変 形 し た と き に ス トロ ー が ず れ な い よ う画 鋲 を リ ン グ の 内 側 に 接 着 す る。
こ の リン グ ば ね を ア ク リル で 作 っ た 止 め 具 で 確 実 に 台 車 に 取 り付 け る 。これ らの 台 車 と台 車 を衝 突 さ せ た と き 、 撃 力 を受 け る 時 間 が 約0.3秒 とな り記 録 タ イ マ ー で 測 定 で き た 。
7c
ロ ー
画 鋲 を 内 側 か ら貼 る 図1‑4リ ン グ ば ね の 構 造
1111
1 ●
台車
厚 紙
メ
図1‑5撃 力 ノ血 の 測 定
一7一
リン グ ば ね の 最 大 に 変 形 す る と こ ろ ま で 厚 紙 が 移 動 す る の で 、 こ の 位 置 ま で リ ン グ を 台 ば か り に 押 し付 け れ ば 台 車 が 受 け た 撃 力 の 最 大 値.MAXが 測 定 で き る。
イ 実 験 方 法
(a)図1‑6の よ うに 台 車Bに 、 リ ン グ ば ね を 取 り付 け 、 水 平 な 滑 走 台 の 中 央 付 近 に 静 止 さ せ て お く。 台 車Aに は お も り1〜2個 を 乗 せ リ ン グ を 先 頭 に して 滑 走 台 上 に お き 、 台 車A
を 台 車Bに 衝 突 さ せ た と き 、 リ ン グ 同 士 が うま くぶ つ か り合 うよ う に す る。
S5 卿 僻
記録タイマー
D
濁
<Lr=コ ー お り■ i台車B メ
i
台CAI 記 録 用 紙 テ ー プri 記録タイマー 1そノ ー
J
図1‑6実 験 見 取 り 図 (b)台 車Aを 静 止 し て い る 台 車Bに 衝 突 させ る。
(c)衝 突 時 に リン グ ば ね は 変 形 し、リ ン グ ば ね に 挟 ま れ た ス トロ ー は 移 動 す る。 こ の ス トロ ー を 再 び 元 の 状 態 に 戻 す と 、図1・7の よ う に紙 片 が 移 動 して い る の が 分 か る 。台 ば か り に リ ン グ ば ね を紙 片 の 位 置 ま で 押 し付 け れ ば 、 衝 突 した とき に 受 け た 力 の 最 大 値MAXが 分 か る(図1・8)。
(d)2打 点 ご と に 速 さ を 求 め 、v‑tグ ラ フ を 作 成 す る 。測 定 誤 差 を 小 さ くす る た め グ ラ フ は 滑 ら か な 曲 線 で 結 び 、折 れ 線 グ ラ フ に は しな い よ うに 注 意 す る 。
(e)グ ラ フ か ら2台 の 台 車 の 接 触 時 間 を 求 め る 。v‑tグ ラ フ を2!50秒 ご と に 読 み 取 り、こ の 区 間 の 傾 き か ら加 速 度 を 計 算 し 、!二'グラ フ を作 成 す る 。frグ ラ フ も 滑 らか な 曲 線 で 結 ぶ 。
(Ofrグ ラ フ の 面 積 ほ 台 車 が 受 け た 力 積 に 等 しい 。 作 成 し
ス トmだ けを元に戻す
●
● ●
図1‑7衝 突 直 後 の 台 車
図1‑8撃 力 の 測 定 た グ ラ フ の マ ス 目 を 数 え て 、台 車 が 受 け た 力 積 を 求 め 、衝 突 前 後 の 運 動 量 の 変 化 と比 較 し、
関 係 を 考 察 す る 。
な お 、 物 理 に 苦 手 意 識 の あ る 生 徒 に は 、v‑tグ ラ フ を描 か せ る に と ど め 、frグ ラ フ を 予 想 さ せ た 。
ウ 実 験 結 果
衝 突 時 に 撃 力 を 受 け て い た 時 間 は0.1〜0.3秒 で 、v‑r グ ラ フ は 逆S字 型 で あ っ た 。ノニ'グラ フ は 、撃 力 の 受 け て い た 時 間 が 短 い と き に は 山 の よ う な 形 に な る が 、 時 間 が 長 い と き に は の こ ぎ り型 に な り、 誤 差 を 考 え る と
台 形 型 と い え る。frグ ラ フ の 面 積 か ら読 み 取 っ た 力 積 の 値 は 台 車 の 運 動 量 の 変 化 量 と よ く 一 致 し 、 誤 差 は 数%〜20%程 度 で 非 常 に よ い 結 果 が 得 られ た 。 撃 力 の
図1‑9実 験 風 景
一8・
最 大 値 〆融 の 値 は200gw〜800gwで あ っ た 。 オ 実 験 中 の 生 徒 の 様 子 か ら
生 徒 は 意 欲 的 に 実 験 に 取 り組 み 、 学 習 す る 姿 勢 を は ぐ くむ に は よ い 実 験 で あ っ た と思 う が 、 解 析 に 長 時 間 を 要 した 。2台 の うち 、1台 の 台 車 だ け を 解 析 させ て も 、 効 果 は 十 分 で あ っ た か も しれ な い と思 わ れ る。
生 徒 は リ ン グ ば ね と ス ト ロー で 衝 突 の 様 子 を 記 録 で き る こ と に 、 関 心 と驚 き を も っ て 熱 心 に 実 験 に 取 り組 ん で い た 。 身 の 回 り の 現 象 と学 習 の 内 容 と を 区 別 して しま っ て い る 実 体 験 の 少 な い 生 徒 も 実 際 に 体 験 し、 結 果 を ま と め て い く過 程 で 物 理 概 念 を 実 感 して い っ た 。
③ 実 験 「運 動 量 保 存 の 法 則 」
運 動 量 保 存 の 法 則 を 確 か め る た め 、 物 体 の 衝 突 、 合 体 、 分 裂 の3つ の 場 合 に つ い て 実
験 を 行 っ た 。 材 料 は 力 学 台 車 や 記 録 タ イ マ ー な ど の ほ か 、 身 近 な も の を 用 い た 。
ア 実 験 方 法 (実 験1)衝 突
台 車A、Bの 質 量 図1 ‑10実 験 風 景 図1‑11実 験 風 景
mA、 〃1gを 測 定 す る 。 静 止 し て い る 台 車Bに 別 の 台 車Aを 衝 突 さ せ 、 衝 突 前 のAの 速 度 VAと 衝 突 後 のA、Bそ れ ぞ れ の 速 度VA'、v'aを 測 定 し 、 衝 突 前 後 に お け る 運 動 量 の 総 和 の 比m・v・'+m・V・'を 求 め る 。
mAV
⇔
台車A
0
図1‑12衝 突 の 実 験
(実 験2)合 体
2つ の 台 車 が 衝 突 後 合 体 す る よ う に 、 衝 突 す る 面 に 両 面 テ ー プ を は り、 台 車A、Bの 質 量mA、mBを 測 定 す る 。 静 止 し て い る 台 車Bに 別 の 台 車Aを 衝 突 させ 合 体 させ る。 合 体 前 の 台 車Aの 速 度vAと 合 体 後 の 全 体 の 速 度vを 測 定 し、合 体 前 後 に お け る 運 動 量 の 総 和 の 比@・+m・)vを 求 め る。
mAVA
台車A 面テープ
0 ノ 台車B
つ
図1‑13合 体 の 実 験
・9・
(実 験3)分 裂
台 車A、Bの 質 量mA、mBを 測 定 す る。2つ の 台 車 の 間 に 薄 い プ ラ ス チ ッ ク 板(下 敷 き を 細 く切 っ た も の)に 穴 を あ け 、 ひ も を 通 してU字 型 に 曲 げ た も の を 置 く。 は さみ で ひ も を 切 り、プ ラ ス チ ッ ク板 が 元 へ 戻 る 力 に よ りそ れ ぞ れ 反 対 方 向 へ 動 き だ した 台 車A、
Bの 速 さVA、VBを 測 定 す る 。 台 車A、Bの 運 動 量 の 大 き さ の 比mAVAを 求 め る 。
mBVB
記 録 タ イ マ ーcコ
b
記 録 タ イ マ ー
図1‑14分 裂 の 実 験 イ 実 験 結 果
実 験1(衝 突)で は 、 お お む ね0.93前 後 、 実 験2(合 体)で は 、0.93〜1.00ま で の 値 が 得 られ 、 実 験3(分 裂)で も 多 くが1.00に 近 い 結 果 とな っ た 。
(4)結 果 と 考 察
本 研 究 の 実 践 の 前 に 、 物 体 の 速 度 の 変 化 量 と受 け た カ 、 そ して 時 間 の 関 係 を 問 う身 近 な 現 象 に っ い て の ア ン ケ ー トを 実 施 した 。 そ の 結 果 、 次 の3点 が 分 か っ た 。 第 一 に 、 速 度 の 変 化 量 と力 の 大 き さ が 比 例 す る こ とは 知 っ て い て も 、 速 度 の 変 化 量 と力 を 受 け て い た 時 間 とが 比 例 す る こ とま で は 、か な りの 生 徒 が 気 付 い て い な い と い う こ と で あ る 。第 二 に 、 「ク ッ シ ョ ン が 力 を 吸 収 す る 」 とい う答 が 多 く、 生 徒 は 力 の 概 念 が あ い ま い で 、 物 理 的 に は 運 動 量 や エ ネ ル ギ ー に 近 い 概 念 を も っ て い る よ うで あ っ た こ と で あ る 。 第 三 に 、 運 動 量 保 存 で は な く速 度 保 存 の よ うな イ メ ー ジ を も っ て い る こ とで あ る。
本 研 究 の 最 後 に 、 事 前 の ア ン ケ ー トと ほ ぼ 同 じ 内 容 の ア ン ケ ー トを 実 施 した 。 回 答 は 運 動 量 や 力 積 と い う言 葉 を 用 い て 考 え る 生 徒 が 多 く 見 受 け られ た 。 しか し、 時 間 を お く と 、 こ れ ら の 概 念 も 薄 ら い で い く よ うで あ る.問 題 演 習 を行 うな ど して 、 繰 り返 し学 習 す る こ とで 物 理 概 念 を 定 着 させ て い か な け れ ば な ら な い 。
実 体 験 の 少 な い 生 徒 は 物 理 を 苦 手 とす る こ と が 多 い 。 こ の よ うな 生 徒 に 生 徒 実 験 は 有 効 で あ る よ うに 思 う。 生 徒 実 験 「運 動 の 第2法 則 」 で は 、 ゴ ム ひ も の 本 数 が 力 に 比 例 し て い る た め 特 に 分 か りや す か っ た よ うで 、 実 験 中 に 加 速 度 の 増 加 を 実 感 して い た 。 レポ ー トを ま と め る 中 で 、 さ ら に物 理 的 な 疑 問 を 感 じて い る 生 徒 も お り、 意 欲 的 な 姿 勢 が み られ る よ うに な っ た 。 この 実 験 デ ー タ を 用 い て 台 車 の 運 動 量 の 変 化 と ゴ ム ひ も が 与 え た 力 積 との 関 係 を調 べ さ せ る 授 業 に お い て は 、違 っ た 角 度 か ら分 析 で き る こ と に驚 き と と も に 興 味 を もつ 生 徒 も 多 く 、 作 業 を 通 して 、 効 果 的 に 「運 動 量 の 変 化 が 力 積 に 等 しい 」 こ と を理 解 させ る こ とが で き た 。 (5)お わ り に
身 近 な 事 例 に よ る説 明 や 身 の 回 り に あ る材 料 を使 っ た 実 験 な どに よ り 、 生 徒 も か な り興 味 を も ち 、 自 分 た ち の 実 験 に つ な げ る こ と が で き た よ うで あ っ た 。 興 味 ・関 心 を も つ よ うに な っ て か ら意 欲 的 に 取 り組 む 姿 勢 が 現 れ 、 科 学 的 に 考 え る 力 も 育 っ て き た 生 徒 を 見 て い る と 、 常 に 教 師 は 教 え る 工 夫 の 積 み 重 ね を して い か な け れ ば な ら な い と感 じた 。
一10一
2身 の 回 りの エ ネ ル ギ ー を 題 材 に して 、 科 学 的 に 考 え る カ を 育 て る 指 導
圏
(1)は じめ に
日常 生 活 に お い て 様 々 な エ ネ ル ギ ー を 利 用 して い る 。 身 の 回 り に は 石 炭 ・石 油 な ど の 化 石 燃 料 を燃 焼 させ 、 そ の 化 学 変 化 で 発 生 す る 熱 エ ネ ル ギ ー や 光 エ ネ ル ギ ー が あ る。 これ らは、
そ の ま ま 熱 や 光 と して 、 あ る い は 、 力 学 的 エ ネ ル ギ ー や 電 気 エ ネ ル ギ ー な ど に 変 換 し て 利 用 さ れ る。 ま た 、 状 態 変 化 に 伴 うエ ネ ル ギ ー も 同 様 に 日常 生 活 の 中 で 利 用 して い る 。 こ う した こ と に 興 味 ・関 心 を 高 め 、 主 体 的 な 学 習 を行 うた め 、 生 徒 に と っ て 身 近 な 題 材 を 多 く取 り上 げ 、 三 態 変 化 や 反 応 熱 に つ い て の 観 察 、 実 験 を 行 っ た 。 さ ら に 、 生 徒 が 主 体 的 に 学 習 に 取 り 組 む た め 、 自 然 に 対 す る 総 合 的 な 見 方 や 考 え 方 を養 う こ とが で き る よ うに 、新 学 習 指 導 要領
の 「理 科 総 合A」 の ね らい を踏 ま え 、 日常 生 活 の 中 で の エ ネ ル ギ ー 利 用 に 関 す る 課 題 学 習 を 取 り入 れ た 学 習 を 行 っ た 。
日常 生 活 で 利 用 して い る エ ネ ル ギ ー は 、 物 質 を 構 成 す る原 子 、 分 子 、 イ オ ン な ど の 粒 子 の 運 動 状 態 や 化 学 結 合 の 変 化 に よ っ て 物 質 の 状 態 や 性 質 が 変 わ り 、 そ の 際 出 入 りす る エ ネ ル ギ ー で あ る こ と に 気 付 い て い る生 徒 は 少 な い
。 生 徒 が 粒 子 の 運 動 状 態 や 化 学 結 合 の 状 態 の 変 化 を 直 接 目 に す る こ と は 困 難 で あ る が 、 発 す る 光 や 熱 で 感 覚 的 に と ら え る こ とが で き る よ う な 実 験 を 工 夫 し た 。 例 え ば 、 ナ ッ ツ の 燃 焼 の 観 察 、 実 験 を行 っ た が 、 生 体 内 の 反 応 は エ ネ ル ギ ー 効 率 が 高 い こ とに 気 付 く よ うに し た
。 ま た 、 日常 生 活 の 中 で の エ ネ ル ギ ー 利 用 に 関 す る課 題 学 習 を 取 り入 れ 、科 学 的 に 考 え る 力 を 育 て る こ と を 目指 して 指 導 計 画(表2‑1)を 作 成 した 。 (2)指 導 計 画
本 研 究 で は 、 新 学 習 指 導 要 領 の 「理 科 総 合A」 に お け る 単 元 「(3)物質 と 人 間 生 活 ア 物 質 の 構 成 と 変 化(イ)物 質 の 変 化 」 を 指 導 す る こ と を想 定 し た。 次 の 表2‑1の 指 導 計 画 は 、2 単 位 で 実 践 す る 場 合 の 一 例 で あ り、10時 間 の 計 画 で 展 開 した も の で あ る。
表2‑1物 質 の 変 化 と エ ネ ル ギ ー の 指 導 計 画
指導 項 目 内 容 ・ 学 習 活 動 留 意点
導入 ・事 前 ア ン ケ ー ト ・物 質 の 三 態、 燃 焼 、 エ ネ ル ギ ー に つ い て の 知 識 ・課 題 学 習 に つ
第 10分 記 入 が どの 程 度 か を 確 認 す る。 い て の 予 告
1 展 開 ・物 質 の 三 態 ・水 や 他 の 物 質 の 三 態 に つ い て 学 ぶ 。 ・事 例 と そ の 裏 35分 ・粒 子 の 熱 運 動 ・粒 子 の 熱 運 動 の 激 し さ と状 態 の 関係 を学 ぶ。 付 けの説 明 時
ま と め ・物 質 の 状 態 ・物 質 の 状 態 は 、粒 子間 に働 く力 と熱運 動の激 し ・粒 子 モ デ ル に
5分 さ に よ る こ と を 学 ぶ 。 よ る理 解
導 入 ・水 の 加 熱 、 冷 却 ・水 の 加 熱 、 冷 却 に つ い て 考 え る。 ・中 学 の 復 習 10分 ・エ ネ ル ギ ー と は ・「仕 事 を す る 能 力 で あ る 」 こ と を 引 き 出 す。
第 展 開 ・三 態 変 化 とエ ネ ・三 態 変 化 に は エ ネ ル ギー の 出 入 りが 伴 うこ と、 ・中 学 で は 温 度 35分 ル ギ ー 粒 子 間 の 結 合 を 切 断 す る の に は エ ネ ル ギ ー が 必 変 化 ま で の扱
2 要 な こ とを 学 ぶ 。 い に な っ て い
・融 解 熱 、蒸 発 熱 、 ・融 解 熱、 蒸 発 熱 、 昇 華 熱 が 、 身 近 な と こ ろ で ど る 。
時 昇華熱 の利 用 の よ うに利 用 され て い る の か を考 え る 。 ま と め ・熱 の 移 動 ・高 温 の 物 質 か ら低 温 の物 質 に 熱 が 移 動 す る こ と
5分 を 学 ぶ 。
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導 入5分 ・実 験 の 説 明 ・目 的、 方 法 等 に つ い て 理 解 す る 。
第 展 開 ・粒 子 の 動 き と 三 ・ゼ ラ チ ン 溶 液 中 の ア ル ミ 箔 片 の 動 き を 、 三 態 に 35分 態変 化 お け る粒 子 の 運 動 に 置 き 換 え観 察 す る。
3 ・昇 華 ・ ヨ ウ 素 の 昇 華 に つ い て 実 験 す る。
・凝 縮(体 積 変 化) ・ア ル ミ製 ボ トル 缶 を水 蒸 気 で満 た し、急冷す る。 ・や け ど に 注 意 。
時 ・気 体 の 熱 膨 張 ・軽 く 潰 し た ア ル ミ 製 ボ トル 缶 を 元 に 戻 す。 ・演 示 実 験 ま とめ ・状 態 変 化 と エ ネ ・分 子 運 動 か ら、 気 体 で は 、 エ ネ ル ギ ー の 差 が 体
10分 ル ギ ー 積 の 差 とな っ て あ らわ れ る こ とを 理 解 す る 。
9
導 入5分 ・身 近 な 燃 焼 現 象 ・身 近 な燃 焼 現 象 を 考 え る。
第 展 開 ・熱 エ ネ ル ギ ー ・熱 化 学 方程 式 を利 用 し、い ろいろな燃料 の性質 、 ・中 学 で は 、 水 40分 (燃 料 の 燃 焼) 燃 焼 生 成 物 、 発 熱 量 等 に っ い て 学 ぶ 。 素 ・ス チ ー ル 4 ・光 エ ネ ル ギ ー ・ア ル ミ ニ ウ ム 箔 、 マ グ ネ シ ウ ム リボ ン 、 ス チ ー ウ ー ル の 燃 焼 、
(金 属 の 燃 焼) ル ウ ー ル の 燃 焼 に つ い て ま と め る 。 有 機 物 の 酸 化 時 ・金 属 の 精 錬 ・精 錬 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー に つ い て 調 べ る 。 を 扱 っ て い る 。
ま と め5分 ・燃 焼 の 定 義 ・光 や 熱 の発 生 を伴 う反 応 で あ る こ と を学 ぶ 。 導 入5分 ・実 験 の 説 明 ・ 目 的、 方 法 等 に つ い て 理 解 す る 。
第
5 展 開 ・燃 焼 と発 熱 量 ・ナ ッ ツ の燃 焼 に 伴 う発 熱 量 を測 定 す る。 ・燃 焼 効 率 に つ
時 40分 ・金 属 の 燃 焼 ・前 の 時 間 に 取 り扱 った 金 属 を燃 や す。 い て 触 れ る
ま と め5分 ・燃 焼 熱 ・燃 焼 熱 は 化 学 反 応 熱 の 一 っ で あ る こ と を 学 ぶ。
導入 ・燃 焼 以 外 の 発 熱 ・身 近 な発 熱 反 応 、吸熱反 応 につ いて考 え る。 ・中 学 で は 、 熱
第 10分 反 応 、 吸 熱 反 応 ・実 験 の 目 的 、方 法 等 に つ い て検 討 す る。 を 取 り 出 す 実 験 は 行 っ て い
6 展 開 ・発 熱 反 応 ・鉄 粉 の 酸 化 、生石灰 と水の反応 を行 う。 る 。
30分 ・吸 熱 反 応 ・尿 素 、 硝 酸 ア ン モ ニ ウム を水 に 溶 か す。 ・鉄 の 表 面 積
時
ま とめ ・化 学 変 化 とエ ネ ・そ れ ぞ れ の 反 応 に つ い て ま と め る 。 ・熱 化 学 方 程 式 10分 ル ギ ー ・化 学 変 化 に は熱 の 出 入 りが 伴 う こ とを 学 ぶ 。 ・原 子 の 組 替 え 導入 ・身 近 な エ ネ ル ギ ・日常 生 活 で ど の よ うな エ ネ ル ギー が使 用 され て
第 10分 一 の 利 用 い る か を 化 学 エ ネ ル ギ ー を 中 心 に復 習 す る。
7 展開 ・課 題 学 習 の テ ー ・テ ー マ を 決 定 し、 な ぜ そ の テ ー マ に し た の か 、 30分 マ の 設 定 班 の 意 見 を ま とめ る。
時
ま と め ・テ ー マ 報 告 ・役 割 分 担 、進 め方 を確 認 し、用紙 に記入 して提
10分 出 す る 。
第8・9時 ・図 書 館、 パ ソ コ ン教 室 、 実 験 室 な どを利 用 し、 課 題 学 習 を進 め る(調 ・関 係 職 員 の 協
査 ・実 験 ・原 稿 作 成)。 力
第 展 開 ・発 表 ●発 表 す る。
40分 ・感 想 カ ー ド を 記 入 す る 。
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ま とめ ・事 後 ア ン ケ ー ト ・物 質 の 三 態 、 燃 焼 、 エ ネ ル ギ ー に つ い て の 理 解
時 10分 が どの 程 度 深 ま っ た か を確 認 す る 。
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(3)授 業 実 践 と教 材
① 物 質 の 状 態 変 化
す べ て の 物 質 に 三 態 が 存 在 す る こ と は こ れ ま で 学 ん で き て お り、 日常 生 活 の 中 で 感 覚 的 に 理 解 して い る 。 しか し、 そ れ は 巨 視 的 な 状 態 と し て と ら え て い る の で あ っ て 、物 質 の状 態 変 化 を 粒 子 の 運 動 とい う視 点 で と ら え られ て い な い 。 物 質 を 構 成 して い る粒 子 の 熱 運 動 が そ の 状 態 を 決 め て い る こ と 、 外 部 か らの 熱 エ ネ ル ギ ー が 原 子 や 分 子 の 集 合 状 態 の 変 化 に か か わ っ て い る こ と を 、 観 察 、 実 験 を 通 して 理 解 で き る よ うに す る こ と を 目 的 と した 。
こ う し た 原 子 ・分 子 の 動 的 モ デ ル を 導 入 して い く こ と は 、 固 体 の溶解 の原 理 や 希 薄 溶 液 の 性 質 、 化 学 反 応 で の 分 子 衝 突 、 温 度 に よ る 反 応 速 度 の 変 化 な ど 、状 態 変化 や 化 学 変 化 の 際 に 起 こ っ て い る 現 象 の 微 視 的 な 視 点 か ら の 理 解 へ の 助 け に も な る 。
次 に 示 した 実 験 は 「状 態 変 化 に 伴 う体 積 の 変 化 や 気 体 の 熱 膨 張 を観 察 す る 」 こ と を 目 的 に 行 っ た 。 い ず れ の 実 験 に お い て も そ の 結 果 を説 明 す る 設 問 を 設 け 、 微 視 的 な 視 点 か ら考 察 させ る よ うに した 。
ア 液 体 、 固 体 の 分 子 運 動 モ デ ル の 実 験
熱 と 粒 子 運 動 の 関 わ りが 実 感 で き る よ うに ゼ ラ チ ン溶 液 中 に 物 質 を 構 成 す る 粒 子 の モ デ ル と して ア ル ミ箔 片 を 分 散 させ た 。 ゼ ラ チ ン 溶 液 が 固 ま っ て 、 中 の ア ル ミ箔 片 の 位 置 が 動 か な い 状 態 を 固 体 と した 。 図2‑1の よ うに 、 加 熱 し て ゼ ラ チ ン が 融 け る 時 に ア ル ミ箔 片 が 動 く の を 液 体 の モ デ ル と し て 観 察 させ た 。 ま た 、 物 質 の 三 態 を 粒 子 の 運 動 の 違 い が 分 か る よ うに 図 を 描 か せ 、 ア ル ミ 箔 片 の 動 き か ら 固 体 や 液 体 の 粒 子 の 運 動 を 理 解 させ 、 気 体 の 分 子 運 動 の 理 解 へ とつ な げ る よ うに した 。
イ ヨ ウ 素 の 昇 華 図2‑1分 子 蓮 動 モ デ ル
昇 華 の 実 験 と して は ヨ ウ素 を題 材 に した 。 ア の 分 子 運 動 モ デ ル の 実 験 で は 気 体 に つ い て の モ デ ル は 示 せ な い の で 、ヨ ウ 素 の 昇 華 現 象 か ら 気 体 分 子 の 運 動 を 印 象 づ け る こ と と し た 。 ウ ア ル ミ製 ボ トル 缶 を使 用 した 水 の 凝 縮
生 徒 は 、 大 気 圧 の 存 在 に つ い て は 学 習 して い る が 、 実 際 に 意 識 す る 機 会 は 少 な い 。 大 気 圧 を 確 認 す る 方 法 と して 、 従 来 よ りア ル ミ缶 を 使 っ た 実 験 例 は 多 く報 告 され て い る が 、 缶 の 密 閉 性 に 難 点 が あ っ た 。 最 近 飲 料 水 の 容 器 と して 使 わ れ 始 め た ア ル ミ製 ボ トル 缶 は 、 ス ク リ ュ ー キ ャ ップ に よ り容 易 に 密 閉 で き る た め 、 本 実 験 で 用 い た 。 こ こ で は 大 気 圧 に よ っ て 常 に 押 さ れ て い る こ と を 実 感 す る と と も に 、 空 気 や 水 蒸 気 の 分 子 が ボ トル 缶 の 壁 に激 し く衝 突 して い る 事 実 に 生 徒 が 気 付 く こ と が で き る よ うに 留 意 し た 。
ア ル ミ製 ボ トル 缶 内 を 水 蒸 気 で 満 た し て か らキ ャ ッ プ で 密 閉 し冷 却 す る と、 缶 は 大 気 圧 に よ っ て 潰 さ れ る。 逆 に 潰 され た 缶 を 再 び 加 熱 す る こ とに よ り元 の 形 に 戻 る 。 こ の 時 、 急 激 に 冷 却 す る と 缶 が 潰 れ る 際 に 亀 裂 が 入 り密 閉 の 状 態 が 保 て な い こ と が あ る の で 、 徐 々 に 冷 却 して 少 し潰 れ た 缶 を す ぐ に 加 熱 し、 元 に 戻 る の を 演 示 実 験 で観 察 させ た。
② 燃 焼 に 伴 うエ ネ ル ギ ー
「燃 料 」 は 、 日常 生 活 の 中 で 自動 車 を 走 行 させ た り調 理 した りす る の に 、 な く て は な ら
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