運動とエネルギー

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第３学年○組理科学習指導案指導者 ○○○ ○○○ １．単元名「運動とエネルギー」～状態変化と熱の出入り～２．指導観 ○ 私たちは生活の中で，色々な場面で様々な形で「エネルギー」を利用している。エネルギーは，様々な形に変換することができ，今の社会を支えている。しかし，今後の地球環境を考えたとき，我々人類のエネルギー消費は著しく，いかに省エネルギーな社会にしていくのかが求められている。夏の省エネルギー対策のひとつに，江戸時代から日本で行われている「打ち水」がある。打ち水は，水が蒸発していくときにまわりの熱を奪っていくことから，気温が下がり涼しく感じられる。また，家庭の給湯システムでの省エネルギー対策として，ヒートポンプ技術が一般的に普及してきている。これは，空気の持っている熱エネルギーを取り出し，その熱を有効に利用している。今後の私たちの生活を支えていくエネルギーの利用については，環境にも配慮しながら有効に活用していけるように考えていく必要がある。本単元の学習について学習指導要領には，物体の運動やエネルギーに関する観察，実験を通して，物体の運動の規則性やエネルギーの基礎について理解させるととともに，日常生活や社会と関連付けて運動とエネルギーの初歩的な見方や考え方を養うことをねらいとしていると記されている。学習内容は，運動の規則性，力学的エネルギー，様々なエネルギーとその変換である。そこで，力学的エネルギーでは，力学的エネルギーに関する実験を行い，運動エネルギーと位置エネルギーが相互に移り変わることを見いだし，力学的エネルギーの総量が保存されることを理解させる。この時，ジェットコースターの例を用いながら，位置エネルギーが運動エネルギーに変換されること，一部が熱や音などに変わり，力学的エネルギーは保存されないことを理解させる。そして，エネルギーに関する観察，実験を通して，日常生活や社会では様々なエネルギーの変換を利用していることを理解させる。この時，教科書で取り上げられている様々なエネルギーの変換を利用している例は，主に巨視的な視点で説明させている。しかし，日常の自然事象の中には，微視的な視点で考えないと事象について説明することができない例も多い。例えば「打ち水」「エコカイロ」「ヒートポンプ」などである。このような事例を説明させるとき，今までの既習事項をもとにそれらを関連させて考えさせる必要がある。このような学習を行うことで，理科で学習したことを用いて日常生活の自然事象を説明しようとする生徒が育まれると考える。 ○ 本授業を行うにあたり，授業対象の生徒に状態変化とエネルギーに関する認識調査を行った。質問１状態変化を粒子のモデルで説明すると，どのようになるか？右の図のように説明している生徒は，全体の◯％であった。わからないと答えた生徒が◯％であった。この結果から，多くの生徒が物質の三態を粒子モデルで説明することができることがわかる。質問２氷が水に，水が水蒸気になる状態変化を「エネルギー」という言葉を用いて説明してください。この質問に関する答えとして，「加熱によって氷や水に熱エネルギーが与えられることによって粒子がばらばらになり動き出すから」と説明している生徒がいた。このように熱エネルギーを与えられることによって，粒子がエネルギーを持ち運動することを説明していた生徒は，全体の◯％であった。エネルギーを用いて説明していたが間違って説明している生徒が，◯％であった。また，わからないと答えた生徒が◯％であった。このような結果になったのは，運動とエネルギーの単元において，エネルギー変換の事例が巨視的な視点で説明させることが多く，粒子のように目に見えない微視的な視点で説明させることがなかったからだと考える。

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状態変化とエネルギーに関する認識調査の結果から，粒子の持つエネルギーの単元の最後に，状態変化にともなって熱の出入りがあることを，物質の三態の粒子モデルやエネルギーの概念を用いて説明させることは，大変意義深いと考える。 ○ そこで，本単元の指導にあたっては，仕事とエネルギーに関する観察，実験を通して，エネルギーの保存や利用する際のエネルギーの効率，エネルギーの移り変わりについて日常生活と関連づけて説明できるようにしたい。また、巨視的な視点で説明していたエネルギーの移り変わりの現象を微視的な視点で説明できるような事例を取り上げて説明できるようにしていきたい。そのために，仕事とエネルギーを関連づけながら学習を展開していきたい。まず，仕事に関する実験を行い，仕事とは何かを考えさせる。ここでは，仕事に関する実験を通して，日常の体験と関連させながら仕事の定義、仕事の原理，仕事率について説明できるようにさせたい。次に，エネルギーに関する実験を行い，位置エネルギーと運動エネルギーについて考えさせる。ここでは、位置エネルギーや運動エネルギーに関する実験を行い，物体の高さや速さ，質量と関連づけて考察させたい。さらに，エネルギーの移り変わりの実験を通して，エネルギーとその移り変わりについて考えさせる。ここでは，力学的エネルギーについて考察させたり，エネルギーの移り変わりと保存を関連付けて考察させたりしたい。最後に，熱エネルギーの効率的な利用と状態変化と熱の出入りについて考えさせる。ここでは，生活の中で熱エネルギーを効率的に利用している例を考えることを通して、熱の伝わり方や効率的な利用について考察させたい。次に，酢酸ナトリウムを用いた実験を通して，状態変化にともなって熱の出入りがあることに気づかせ、その現象を微視的な視点で説明できるようにしたい。本単元で習得したエネルギーの初歩的な見方や考え方を日常生活と関連付けて，様々な事象を巨視的な視点だけでなく，微視的な視点で説明していくことにつながると考える。３目標 ○ エネルギーにはさまざまなものがあることに関心をもち，身のまわりにあるエネルギーについて調べようとする。 ○ 仕事とエネルギーに関する観察，実験を通して，仕事の原理，エネルギーの変換や保存について推論し，適切に表現することができる。 ○ 仕事やエネルギーに関する実験を行ない，仕事の原理，運動エネルギー，エネルギーの移り変わりを調べることができる。 ○ 仕事や身のまわりのさまざまなエネルギーについて理解し，仕事，仕事の原理，仕事率，エネルギーの変換，保存，変換効率などがどのように日常生活や社会と関連づけられているのかを説明することができる。４指導計画（全１６時間）関：関心・意欲・態度思：科学的な思考・表現技：技能知：知識・理解時学習活動・内容指導上の留意点観点・主な評価規準１１．仕事について考える。・仕事 ○力学的な仕事の定義について説明できるようにするために，理科で扱う仕事の様々な例をあげて考えさせる。知：仕事は，力とその向きに動いた距離の積であることや単位について説明することができる。（ペーパーテスト）２２．仕事の原理について調べる。・仕事の原理 ○仕事の原理について説明できるようにするために，動滑車をつかったときの仕事の大きさについて技：動滑車を使った仕事を調べる実験を行い，直接手で行う仕事と道具を用いた仕事の大きさを調べることができる。質問３打ち水を行うとまわりの温度はどうなりますか？どうしてまわりの温度が変化するのか？この質問に関する答えとして，温度が下がると答えた生徒は◯％であった。また，その理由については，「道路に水をまくと，その水が道路の熱を吸収して蒸発するため，まわりの温度は水をまくよりも低くなる。」と説明している生徒がいた。水が蒸発するときにまわりの熱を吸収・奪うから温度が下がると説明していた生徒は，◯％であった。この結果から，打ち水の効果についてはほとんどの生徒が理解していることがわかる。しかし，その理由については，既習事項をもとに説明している生徒は半分くらいであった。特に，状態変化に伴って熱の出入りがあることを理解して説明している生徒はいなかった。最後に，打ち水で温度が変化する理由について知りたいと答えた生徒は◯％であった。これは，日常生活と関わりのある事象を今まで学習したことを用いながら説明できるようになりたいと考えている生徒が多いことが考えられる。

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調べさせる。 (学習プリント) 思：動滑車などの道具を用いた仕事と直接手で行う仕事を調べる実験を通して，様々な道具を用いても仕事の大きさが変わらないことを推論し，説明することができる。（学習プリント）１３．仕事率について調べる。・仕事率 ○仕事率が単位時間に行う仕事であることや仕事率の単位を説明できるようにするためにいろいろな道具の仕事の効率を調べさせる。知：仕事率が単位時間に行う仕事であることや仕事率の単位を説明できる。（ペーパーテスト）１４．位置エネルギーについて調べる。・位置エネルギー ○位置エネルギーの大きさが物体の質量や高さに関係することを説明できるようにするために，位置エネルギーの大きさや高さや質量の関係を調べさせる。知：位置エネルギーの大きさが物体の質量や高さに関係することを説明できる。 (ペーパーテスト) ２５．運動エネルギーについて調べる。・運動エネルギー ○運動エネルギーが物体の高さ，速さ，質量と関連づけて調べたり，グラフに表したりできるようにするために，運動エネルギーに関する実験を行い調べさせる。技：運動エネルギーが物体の高さ，速さ，質量と関連づけて調べたり，グラフに表したりできる。（学習プリント）思：実験の結果から運動エネルギーは物体の高さ，速さ，質量に関することを見出し，学習プリントに表現することができる。（学習プリント）２６．力学的エネルギーの保存の法則について調べることができる。・力学的エネルギー・力学的エネルギー保存 ○位置エネルギーや運動エネルギーの移り変わりを調べさせるために，振り子の運動について調べさせる。 ○実験後に，位置エネルギーと運動エネルギーが移り変わることを見出させるために，結果とその原因について考えさせる。技：振り子の運動についての実験を行い，その実験をレポートにまとめることができる。（学習プリント）思：振り子の運動から位置エネルギーと運動エネルギーが互いに移り変わりことをレポートの考察に説明することができる。（学習プリント）１７．いろいろなエネルギーについて考えることができる。・いろいろなエネルギー ○身のまわりのさまざまなエネルギーについて説明させるために，それぞれの特徴について調べさせる。関：日常の自然事象の中からさまざまなエネルギーについて説明することができる。（学習プリント）知：身のまわりのさまざまなエネルギーについての特徴を説明することができる。（ペーパーテスト）２８．エネルギーの移り変わりについて調べることができる。・エネルギーの移り変わり ○移り変ったエネルギーの種類について説明できるようにするために，エネルギーに関する実験を行わせる。思：実験結果から移り変ったエネルギーの種類について説明することができる。（学習プリント）１９．エネルギーの保存と利用の効率について考える。・エネルギーの保存と利用の効率 ○エネルギーの保存について説明できるようにするために，ジェットコースターのモデルを用いて考えさせる。 ○照明の種類によるエネルギー変換のようすの違いから，エネルギーの変換効率について考えさせる。知：エネルギーの保存について説明できる。（ペーパーテスト）思：エネルギーの変換効率について，様々な照明の消費電力と関連づけて説明することができる。（ペーパーテスト）２ 10. 熱エネルギーの効率的な利用について調べる。・熱の伝わり方 ○熱の伝わり方には伝導や対流，放射があることを説明できるようにするために，身のまわりのさまざまな伝導や対流，放射の例をあ知：熱の伝わり方には伝導や対流，放射があることを説明することができる。（ペーパーテスト）

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・熱エネルギーの利用げて考えさせる。 ○熱エネルギーの効率的な利用について説明させるために，保冷や保温ができる水筒の仕組みを考えさせる。思：保冷や保温ができる水筒を例にして，熱エネルギーの利用効率を高くする方法について説明することができる。（ペーパーテスト）１本時 1/1 11．状態変化にともなって出入りする熱について調べる。・状態変化と熱の出入り ○状態変化にともなって熱が出入りすること説明させるために，酢酸ナトリウムの状態変化について調べさせる。思：状態変化にともなって熱が出入りすることを粒子モデルを用いて，エネルギー変換と関連づけて説明することができる。（学習プリント）５．本時平成○年◯月○日（○曜日）第◯校時於理科室（１）本時の指導観前時までに生徒は，身のまわりには様々なエネルギーがあることや日常生活や社会では様々なエネルギーを変換して利用していることを，エネルギーの保存や利用する際のエネルギーの効率と関連させながら学習している。また，熱の伝わり方には，伝導や対流，放射があることを学習している。本時では，酢酸ナトリウムが液体から固体に変化するときに熱が発生し，まわりの温度を上昇させる実験を通して，状態変化に伴って熱が出入りする理由を状態変化での粒子の振る舞いとエネルギー変換・保存とを関連づけて説明することができることをねらいとしている。そのためにまず，本時のめあてについて確認させる。次に液体の酢酸ナトリウムを提示し,液体が固体に変化する時温度はどうなるだろうかを予想させる。ここでは，生活経験をもとに予想させる。その後，予想したことを発表させ，理由も答えさせる。次に，酢酸ナトリウムを用いて，液体から固体に変化するときの温度変化を調べさせる。ここでは，体感できるようにするために，一人一本の試験管を準備して実験を行わせる。次に，液体から固体に変化すると温度が上昇した仕組みを考えさせる。ここではまず，個人で考えさせる。粒子のモデルを用いてこの現象を説明することができていない場合は，学習の支援を行う。そして，個人で考えた後，自分の考えに客観性を持たせるために班や学級全体で交流させる。最後にまとめを行い，身の回りの現象について考えさせる。ここでは，状態変化にともなって粒子の運動が変化し，それに伴って熱が放出されたり，吸収されたりするとまとめを行う。次に，最初の課題について考えさせる。さらに，日常の自然事象について考えさせる。ここでは，生徒が日常の自然事象を挙げることができない場合，教師が事例を提示し説明する。本時の学習を通して，日常の自然事象を用いながら，既習事項の科学的な知識や概念を用いて事象について考え，説明させていきたい。その際，課題となる事象について生活経験をもとに予想させ判断させる。そして，実験をもとに得られた事実を客観的にとらえ，既習事項の科学的な知識や概念を用いて説明させる。さらに，そこから得られた概念をもとに，日常の自然事象を説明させることを通して，日常生活や社会で活用できるようにしたい。自然の事物・現象の中に問題を見いだし，目的意識をもって実験を主体的に行わせ，得られた結果を分析して解釈するなど，科学的に探究する学習を進め，科学的な思考力・判断力・表現力を育成したい。そこで本時では，次のような４点の工夫を行った。 ① 日常の自然事象を用いること（エタノールが皮膚についた現象，エコカイロの酢酸ナトリウム） ② 液体が固体になる時に，熱が発生する事象を微視的な視点（粒子モデル）で説明することで，様々な事象を微視的な視点で捉えられるようにすること ③ 個人で考えたが事象について説明できないときは，班，学級と協働して考えていくこと ④ 学習で得られた知識や概念を用いて，日常の自然事象を説明させ理科で学習したことが生活に活用できることを実感させること（２）主眼酢酸ナトリウムが液体から固体に変化するときに熱が発生し，まわりの温度を上昇させる実験を通して，状態変化に伴って熱が出入りする理由を状態変化での粒子の振る舞いとエネルギー変換・保存とを関連づけて説明することができる。（３）準備・酢酸ナトリウム・試験管・ビーカー・温度計・加熱器具・エタノール・脱脂綿・ホワイトボード・ペン（４）展開

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配時学習活動・内容指導上の留意点【手立て（○）と評価（◇）】 5 5 15 15 10 １．本時のめあてを確認する。 ○ めあてにつなげるために「エタノールが皮膚についた後どんな感じがしますか？なぜそうなると思いますか？」と問う。 ○ 皮膚についたエタノールが蒸発するときに，冷たくなることを体感させるために，皮膚にエタノールをつける。 ○ 「エタノールの他にも状態変化にともなって冷たく感じたり，熱く感じたりするものがあるだろうか」と発問し，めあてを提示する。 ○ 液体の酢酸ナトリウムを提示し「液体が固体に変化するときまわりの温度はどうなるだろうか」を発問し液体から固体に変化するときの温度変化について予想させる。 ○自分の考えを持たせるために，予想を発表させる。この時に予想した理由も答えさせる。 ○ 液体から固体に変化するときに熱が発生し，まわりの温度が上昇することを体感できるようにするために，一人一本の試験管を準備して実験を行わせる。 ○ 何度まで温度が上昇したのかを調べさせるために，班に一本温度計を入れた試験管を用意し，実験させる。 ○ 現象について考えることができるようにするために，「液体から固体に変化するときに熱が発生し，まわりの温度が上昇したのはなぜか」と発問する。 ○ 粒子のモデルを用いてこの現象を説明することができていない場合は，液体から固体になった時，粒子はどのような振る舞いをしていたのかを考えさせる。 ○粒子の運動とエネルギー変換・保存を関連づけて考えることができなければ，「液体から固体になると粒子の運動はどうなるのか，またその時に粒子が持っていたエネルギーはどうなるのか」と問う。 ◇状態変化にともなう熱の出入りを粒子モデルを用いて，エネルギー変換と関連づけて説明することができたか。 ○ 自分の考えに客観性を持たせるために，個人で考えた後，班でお互いの考えを交流させる。さらに，学級全体で交流させる。 ○ 液体から気体に変化したときの熱の出入りについて考えさせるために，まとめをする前に，エタノールの現象について考えさせる。 ○ 日常の自然事象について考えさせるために「状態変化にともなって熱が出たり，吸収したりする仕組みを利用しているものはあるだろうか」と発問する。 ○ 日常の自然事象を生徒が挙げることができない場合は，教師が事例を提示し説明する。状態変化にともなって熱が出入りするしくみについて説明できるようになろう。・エタノールがついた部分がひんやりする。・エタノールが蒸発すると皮膚が冷たくなる。・蒸発するときに,皮膚の熱を奪っていく。２．液体の酢酸ナトリウムを提示し,液体が固体に変化する時温度はどうなるだろうかを予想する。・まわりの温度は下がる。・水から氷になるとき冷たくしないと固体にならないから・液体から固体に変化するとまわりの温度は上昇する。・エコカイロのように液体から固体に変化するときに温度が上昇したから３．酢酸ナトリウムを用いて，液体から固体に変化するときの温度変化を調べる。・液体から固体になると熱が発生し，まわりの温度が上昇した４.液体から固体に変化すると温度が上昇した仕組みを考える。（１）個人→班で考える。（２）学級で説明する。・液体から固体に変化すると熱が発生し，温度が上昇した。・液体から固体に変化したときに，粒子の運動が減衰する。・液体から固体に変化したとき粒子の運動が減衰し，粒子が持っていた運動エネルギーも小さくなる。運動エネルギーが小さくなったぶん、まわりに熱エネルギーが放出され温度が上昇した。５．液体から固体に変化するときに熱がでるしくみについてのまとめを行い，身の回りの現象について考える。・打ち水（気化熱）・エコカイロ（液体から固体に変化）・状態変化で粒子の運動が変化し，それに伴ってエネルギーが変換され，熱が放出されたり，吸収されたりする。