熊大教育実践研究第６号，１０９−１１１，１９８９
力学的エネルギー実験装置の試作
桃 井 凡 夫 ＊ ・ 平 井 智 憲 * ＊ ・ 前 田 健 悟 ＊
ATrialProductionofMecanicalEnergyExperimentApparatus
TsuneoMoMOI,TomonoriHIRAIandKengoMAEDA
（ReceivedOctoberl,1988）
Usingthestraingagesasadetector,wecanobtaintheelectricalpulseheightsin proportiontothepotentialenergies、Thedizitalizedpulseheightsaresenttothe micro,comuper,theenergyvaluebeingshownimmediately、Thedevelopedapparatus willbecomeaveryusefulmethodforleamingofmechanicalenergyconcept．
緒 言
理科教育において力学的なエネルギー概念を学習 者に把握させることは，それがエネルギー概念の根 底をなすことからも極めて重要であることは言うま
でもない．エネルギーに関する学習は定性から定量
そして数理的展開へと一連の系統的進展をする。こ れまで，教科書等で広く知られているエネルギー測 定のための装置と方法は杭打ち型の仕事測定器であ る．筆者等もこの型の測定器について改善を試み，その有効性については既に報告ずみである')．ただ その操作は改善を試みた杭打ち型の装置においても，
正確な値を得ようとすると熟練を要する．
本研究はこれまで我々の取り組んできた一連の実
験装置の開発に関するものである．この事に関連し
て，昨今の教育現場へのマイクロコンピュータ導入 に加えて電子回路素子の進歩と普及により機械的変 動を電気信号に変換した装置で実験を行うことにより，著しく装置の改善がされるものが少なくない．
この様な電気信号への変換が教材実験装置として好 ましくない場合もあるが，逆にその効果を著しく高 めるものもある2)‑5)．ここに報告する力学的エネル ギーの定量実験装置の試作については，その装置本 体の構成が中学生徒にも理解できるという点を考慮
し研究を進めた．以下その成果について述べる．
実験装置と方法
実験装置は物体を落下させる落下部，落下する物
＊ 理 科
*＊熊本市立東町中学校
体のエネルギーの検知部，発生信号の処理命令をす
るトリガー部，検知部からのアナログ信号をデジタ
ル信号へ変換するＡ/Ｄ変換部それにデータ処理部 等の部位からなる．これらのうち特に試作上必要なものについて列記する．
検知部
エネルギーを検知する検知部はゴム等の弾性体の 四方側面に歪ゲージを取り付け，弾性体の上下面に 加わる力による歪がエネルギー値として検知される 機構を持つようにしたものである．ひずみゲージ自 体は歪に対応して抵抗値が変化するものであるが軸 性をもつため，ゲージ軸が互いに直角をなすよう取 り付ければ，各抵抗値に増減の違いを生じる．この 性質を利用し，実用的にはブリッジ回路にゲージ４
つを図１に示すように配置する，そうすれば，２つ
の相対する一方と他方の各組は互いに抵抗値の差がＥ
図１．ブリッジ回路
ｅ
−１０９−
ｙｅｓ
増強される．このブリッジからの不平衡出力電圧ｅ
は歪とブリッジ印加電圧Ｅに比例したものとなる．
なお，一見Ｅを大きくすれば容易にｅを大きくする ことが可能ようであるが，歪ゲージは温度特性を有
するので充分考慮して行う必要がある．
トリガー部
普通に行われる位置エネルギー測定の場合，落下 をはじめた物体は，フォトセンサー前を通過して検
知部に達する．このときフォトセンサーにおいては トリガー用パルスの信号を得る．このトリガー信号 を メ モ リ ー ス コ ー プ や マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ の ト リ
ガーとして用いた．構成は発光素子として先端がレ ンズ構造となっている豆電球と，受光素子として鋭 い指向性を持つフォトトランジスターより成る．回 路素子そのものは増幅用及びスイッチング用トラン ジスターとトリガー用集積回路素子が使用された．A/Ｄ変換部
検知器からの出力は差動増幅器を経てＡ/Ｄ変換
回路，Ｉ／Ｏインターフェース回路を通してマイクロ
コンピュータ本体へ入力する．エネルギー検知器からの信号は比較的はやいパルス信号であるため，こ
の信号を直接Ａ/Ｄ変換回路に入力するとＡ/Ｄ変 換中に誤動作し測定を不能にする．そこで，一定時間信号電圧を保持させるためにサンプルホールドア
ンプを接続した．また，Ａ/Ｄ変換回路とマイクロコ ンピュータ間のI/Oインターフェース回路にはPPI素子を用いた．
データ処理部
データ処理は入力信号を高速変換する必要上マシ
ン語プログラムを作成した．これらの処理手順の概 要をフローチャートにして図２に示す．落下物体がフォトセンサー部を通過するとセンサーからトリガ
ー信号が送られこの信号によってＡ/Ｄ変換が作動 し，物体の検知器との相互作用により生じた信号の 高速Ａ/Ｄ変換がなされる．処理結果は,直接そのデ ータをディスプレイに表示したり，いくつかのデー タを用いてグラフ化できる．この部分はＢＡＳＩＣ言語を用いてプログラミングがなされている．また，
データをグラフ化する表示については生徒の理解を 容易にするため，いろいろの角度からグラフ化が出 来るように工夫してある．当然測定データはフロッ
ピーディスクに保存できる．
実験結果と考察
本実験において検知部の性能は装置全体の機能を 決定するものである．弾性限界内では応力と弾性体
コ ン ピ ュ ー タ ー
への読み込み
図２．データ処理手順
リ ユ ら ｡
肝ｌｌｌｌ魯口︑やトー無言ｌｌｌｌ
桃 井 凡 夫 ・ 平 井 智 憲 ・ 前 田 健 悟
2.0 ６０
− １ １ ０ −
4.0
︵シ︶⑳
ｆ（ｋｇｆ）
図３．応力に対するブリッジ出力
rl L｣
6.0
軸にエネルギーが表示されている．エネルギー値Ｗ が0.030k9.ｍ程度以下では直線性は良くデータのば らつきも小さく，また測定全領域にわたって直線的 傾向が認められる．本装置では当領域外では出力電 圧の飽和等により直線性を維持できなくなる．
結 論
試作された装置は力学的エネルギー測定用教材実 験機器として，その操作は極めて容易である．エネ ルギー値は0.050ｋｇ。ｍまでの測定が可能であった．
この測定値のコンピュータによるグラフ化は，グラ フの座標軸が示す物理量を質および量ともに変換が 容易なため種々の角度から測定結果の考察を可能に
した．
謝 辞
本研究のまとめにあたって，熊本大学大学院教育 学研究科理科教育専修久保田裕介君の協力に対し厚
く感謝の意を表します．
文 献
ｌ）桃井凡夫：熊本大学教育学部紀要，自然科学，２１，
１８（1972)．
２）山下太利・桃井凡夫・前田健悟：熊本大学教育学部紀要，
自然科学，２４，１（1975)．
３）山下太利・桃井凡夫・前田健悟：物理教育，２９，１
（1980)．
４）前田健悟・山下太利・桃井凡夫：物理教育，３１，
１６９（1983)．
５）前田健悟・山下太利・桃井凡夫：物理教育，３３，４
（1985)．
の歪は比例する．検知器からの出力電圧ｅと応力/の
関 係 を 図 ３ に 示 す ． 図 か ら 一 見 し て 明 ら か な よ う に 極めて良好な直接関係が得られているのが判る．
本装置の場合応力は衝動的な力となるが，このと き出力電圧ｅはどのようになるのか．その出力電圧
を メ モ リ ー ス コ ー プ で 観 測 し た の が 図 ４ で あ る ． 時 間軸と共に出力電圧が変化しているのが判る．当然 この変化のピーク値が最大の歪を生じている点での 出力電圧値である．
弾性体では歪の二乗はその弾性体の持つエネルギ
ーに相当するので，その関係を示すのが図５である．横軸に歪に正比例している出力電圧の二乗そして縦
︵Ｅロエ尉︲○頁︶量
００４２
Ｉ
図４．信号波形
−１１１−
力学的エネルギー実験装置の試作
００ ３ ６ ９
Ｇ２（Ｖ２）
図５．ピーク電圧の二乗とエネルギー値
