物理法則認識の分析と物理実験演示装置
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(2) そ の よ うな 混 同 化 は世 代 を超 え て普 遍 的 に な って い る と思 われ る。 科 学 の 発 達 が こん に ち の便 利 で も あ り危 険 で もあ る種 々の機 器 や 道 具 を生 み 出 して い る とい う 認 識(こ れ 自体 は正 しい認 識 で あ る)と 、 科学 とは そ の よ うな 「文 明」 を生 み 出す た め の活 動 で あ る とい う認識(こ れ も全 面 的 に間 違 って い る とは 言 え な い)と が 、 交 流 し溶 け 合 って 、 結 果 と して 科 学 と技術 とを完 全 に 混 同す る とい う認 識 状 況 が 、 これ ま で以 上 に 広 ま って い る よ うに 私 に は 思 わ れ て な らな い。 結 局 そ れ は 人 々 の あ いだ に どの よ うな 科学 観 が形 成 され て きた か 、 形 成 され つ つ あ るか 、 と い う問 題 で あ る。学 校 教 育 の中 で 、趣 味 の 中 で 、仕 事 の 中 で、 家 庭 生 活 の 中 で 、 日 々わ れ わ れ は さ ま ざ まな 学 習 や経 験 な どを 通 じて、 もの ご とに つ い て の観 方 を 身 に つ け る こ とに な る。 個 人 的 な 経 験 の 範 囲 の 中 で正 しい認 識 や 「 観 」 を形 成 す る こ と もな くは な い が 、 ふ つ うは 意 図 的 意 識 的 な 学 習 活 動 を 通 じて は じめ て 正 し く形 成 され る もの が ほ とん どで あろ う。 科 学 観 な どは ま さ し くそ うい うもの の ひ とつ で あ る。 日夜 発 展 を続 け 、 人類 の行 く末 に さえ 重 要 な 影 響 を 及 ぼ す こ とに な る科 学 や 技 術 を どの よ うな も の と して理 解 し、 た とえ素 人 と して で も、 そ の 発 展 の コ ン トロ ール に どの よ うに 関与 す るか を 考 え る事 は 、 こん に ち とい う時 代 に あ って は す で に 国民 的 な課 題 で あ り、 義 務 で さえ あ る と言 って い い ので は な いか 。 科 学 とい うものを 正 し く理 解 し、 科学 や技 術 の発 展 方 向を 批 判 的 に 読 み 取 る とい うこ とは 、 な まや さ しい こ とで は ない 。 少 な くと も、科 学 の 中身 につ いて 、 た とえ ほ ん の 一 部 分 で あ って も正 確 に 理 解 して い る事 が ど うして も必 要 で あ る。 科 学 的 な 知 識 の 量 もさ る こ とな が ら 、 そ の質 が ほ ん と うは 問 わ れ続 け な くて は な らな い。 一 体 、 個 別 の科 学 法 則 の 身 に つ け 方 、 いわ ば そ の認 識 水 準 とい った もの と、 形 成 され て い る科学 観 との間 に いか な る関 係 が存 す るの か 、 これ は は な は だ 興 味 深 い の で あ るが 、 そ の 研 究 は非 常 な 困難 を 伴 うに 相 違 な い 。調 査 す べ き対 象 が あ ま りに広 く 深 い か らで あ る。 しか し、 た った 一 つ の 自然 現 象 、 た った 一 つ の法 則 の 理解 の仕 方 を調 べ て み るだ け で も、 そ こ に は そ れ ま で の 自然 科学 の学 び か た の特 質 、 知 識 の 了 解 の 仕方 、法 則 性 の適 用 能 力 等 々、 か な り の 事 が推 測 で き る材 料 が含 まれ る こ とも あ るだ ろ う。 問題 はそ の調 べ 方 で あ る。 前 々 か ら この あた りの こ とが 気 に な って い た の で 、 そ うした ことを 調 べ るた め の 有 効 な 方 法 を 考 え る こ とに した 。 そ の 際 、 以 下 の よ うな こ とに 留 意 した。 す なわ ち、 前 提 と して 科 学 観 を 問 う 意識 調 査 は無 論 必 要 で あ る。 しか し、そ の よ うな 調 査 に お け る意 識 表 明 は直 感 的 な もの に 過 ぎ な か った り、形 成 され て きた結 果 と しての 「観」 で あ った りす る。 各 自の 「 観 」 が そ の よ うに 形 成 され て き た と こ ろの原 因 が表 現 され る こ とは 難 しい 。 で は 、そ の形 成 素 因 とで も言 うべ き もの を 、 ア ンケ ー トに よ り意識 調 査 す れ ば よいだ ろ うか 。確 か に そ の方 法 も あ るか も しれ な い が 、 幼 少 時 か らの記 憶 を た ど らせ る な どが必 要 で、 不 正確 さや曖 昧 さ を伴 う点 で これ もや や 困難 に 思 わ れ る。 そ こで意 識 調 査 に つ い て は直 裁 的 で単 純 な 設 問 の み に 限定 す る方 が よい と考 え た。 そ して 科 学 に つ い て の各 自個 人 的 な観 方 を支 え る無 数 の 要 素 の 中 か ら、分 析 可 能 な 代 表 的 な 因子 を い くつ か 抽 出 して 、 これ に つ い て詳 細 に調 べ る ことに した の で あ る。 そ れ に よ り、 科 学 を 敬遠 した り、 科 学 140.
(3) 的労 働 を 忌避 す る傾 向 が強 ま っ て い る と も いわ れ る青 年 た ち の形 成 素 因 が 那 辺 に あ る のか あ る程 度 判 明す る こ とが 期 待 され る。 とは い え、 何 を も っ てそ の 代 表 的 な 因 子 とみ な す の か 、 これ は また 簡 単 に は 決 め られ な い 。 先 述 した よ うに 、 個 人 の 過 去 の経 験 に さか の ぼ って 調査 す るの も一 法 で は あ る が 、 む しろ現 在 の 自 然 や 科 学 に つ い て の個 別 的 な認 識 の状 態 を探 るほ うが よ り確 実 で あ る。 それ に は 、単 に記 憶 と し て 蓄積 され て い る知 識 量 を測 定 す るの で は な く、 あ る課 題 に対 して既 得 の どの よ うな知 識 を 用 い な が ら どの よ うに 考 え て判 断や 解 決 を 図 ろ う とす る のか を、 実 態 的 に調 べ る方 が よいだ ろ う と思 う。 そ うい う課 題 は 、文 章 題 と して与 え た り、 実 践 的 な解 決 を求 め る た めの 具 体 的 な操 作 を 伴 う よ うな形 で与 え た りと、 さ ま ざ ま な ス タ イル が 考 え られ る。 そ れ ら のひ とつ と して 、 こ こで は そ の 中間 的 な方 法 で あ るが 、 演 示 実 験 に よる物 理 現 象 に つ いて の 思 考 分 析 とそ の た め の 装 置 の 開 発 を 提 案 した い と思 う。. 科学観 と科学への信頼感 と ころ で 現 代 の 青 年 層 が 科 学 に つ い て どの よ うに感 じて い る か 、 と りわ け科 学 を 人類 の文 化 と して信 頼 に 足 る もの で あ るか ど うか に つ い て は 、 た とえ漠 然 と した もの で あ っ て も 、科 学 観 を形 成 す る 心 情 的 な要 素 と して重 要 で あ る。 そ こで 、後 述 す る物 理 演 示 装 置 に よ る調 査 に先 立 っ て 、 筆 者 の教 養 講 義 の 受講 生 に ア ンケ ー ト調 査 を行 っ た。 大 半 は本 年 度 入 学 の1年 生 で あ り、 この 時 の 回答 者 は92名 で あ る。 科 学 を 「信 頼 して い る」 と答 えた 者 は 、全 体 の35.9%の い な い」 「 わ か らな い 」 と した者 は それ ぞ れ17.4%、46.7%で 6名 、 韓 国 人1名)は 「 信 頼 す る」 は30.6%、. 割 合 で あ った 。 これ に対 し、「信頼 し て あ った 。 な お、留 学 生7名(中. 国人. 全 員 「信 頼 して い る」 で あ った 。 これ ら留 学 生 を 除 く日本 人学 生 に 限 る と 「信 頼 しな い」 が18.8%、. 「わ か らな い 」 が50.6%で. あ った(図1)。4割. ほ どの 理 科 系 学 生 を 抱 え る ク ラス で 、 ほ ぼ半 数 の学 生 が 判 断 を 留保 して い る こ とは注 目され る 。 も し も文 科 系学 生 だ け の ク ラス で あ れ ば 、信 頼 度 は更 に下 が る こ とが予 想 され る。 信 頼 感 の あ る な しに つ い て の 回 答 と、 そ の根 拠 の具 体 的 な 内容 を表1に 示 す 。. 図1. 141.
(4) 表1科. 学 に対 する信頼感 についての 回答. 科 学 を信 頼す る と答 えた者 の 大 半 は 「科 学 的 に 証 明 され て い る ことは 間 違 い な くな りたつ 」 と い うもの や 、 そ れ と大 同小 異 の 理 由を 挙 げ て い る。 強 固 な 科 学 的信 念 を 持 つ と も考 え られ る が 、 漠 然 とそ の よ うに 信 じた い とい う気 も ち の表 明 と も受 け 止 め られ る。 一 方 で理 由 を書 い て な い も の も多 く、 結 局 、 科学 を な ぜ 信 頼 し うる と考 え るか に つ い て の厳 密な 検 討 は 、 自然 認 識 の実 態 に つ い て な どの よ り詳細 な調 査 を 必 要 と して お り、 別 の 機 会 に 譲 りた い。 一 方 、 不 信 感 を 持つ 者 の示 す 理 由 の 中 に 目立 つ のは 、 科 学 を 盲 信す る の は 危 険 で あ る、科 学 は 即 、 真 理 で あ る とは 限 らな い、 とい っ た あ る意 味 で当 然 の立 場 を表 明す る もの と、 科学 ＝技 術 的 成 果 、 とみ な す もの と、大 き くわ け る と二 種 類 で あ る。 後 者 に つ いて は 先 に触 れ た よ うに、 明 白 に科 学 へ の 誤 解 を 含 ん で い る。 一 方 、 前者 は 「 科学 と は 常 に 絶 対 的 な 真 理 を表 現 して い る もの で あ る」 とい うよ うに しか 聞 こえ な い 科学 主義 的 な立 場 へ の疑 念 の表 明で あ る。 しか しそ れ は裏 を返 せ ば 、<科 学 を 信 頼 す る とい うこ とは 、 科学 の 今 日 的 な到 達 点 につ い て そ のす べ て を 真理 と して認 め 、 あ る い は科 学 は か な らず 客 観 的 な 実在 に 関 す る真 理 を解 明 し尽 くす に違 い な い とい う楽 天主 義 の こ とで あ る 〉 とい う よ うな 誤 解 を して い る こ とに な る。 それ も また 、誤 っ た科 学観 の変 種 で あ る と言 っ て よいだ ろ う。 さ らに、 科 学 へ の信 頼 につ い て の判 断 を保 留す る者 の多 くは、 そ もそ も科 学 を 理 解 して い な い の で判 断 が で きな い とす る者 、科 学 も誤 りを 冒す し、 不 明 な事 や 行 きす ぎ も あ るか ら、 とす る も の な どに大 別 で き る。 こ う して み る と、 結 局 、 多 くの 青年 た ち は 、 そ して お そ ら くきわ め て 多 くの一 般 の人 々は 、 科 学 は理 解 不 能 と思 い こ ま され て い た り、 科 学 へ の いわ ば誤 解 や 偏 見 を 、 長 い 学 校 生 活 の中 で も矯 正 され る こ とな く、 む しろ さま ざ まな 場 や 時 間 に さ らに植 え付 け られ 強 化 され て い る可 能 性 さ え あ る よ うに 思わ れ る。 142.
(5) 学校 で 学 ぶ 自然 法 則 や 自然 科学 の概 念 が 、 人 々 の 日常 的 な生 活 行 動 や 社 会 的 判 断 な どに 生 きて 働 くよ うな 形 で 習 得 され な い 限 り、 こ うした 、科 学 に とっ て は悲 劇 的 な 状 況 と さえ 言 って よい よ うな事 態 は 改 善 され て い くこ とが な い だ ろ う。 た とえ ば 、 た った一 つ の物 理 法 則 、 力学 の法 則 で も よい のだ が 、 これ に つ い て徹 底 的 に深 い理 解 が 図 られ 、繰 り返 し基 本 的 な 問題 につ い て応 用 され 、 そ れ が 有 効 な 経験 と して そ の 人 の記 憶 に 刻 み込 ま れ て い く こ とが あれ ば 、彼 の物 理 学 理 解 、 自然 科 学 理 解 、 自然 理解 は 、 お そ ら くそ うで な い場 合 と比 べ て大 き く異 な る も の に な るに 違 い な い 。 そ うした 、 数 少 な い学 習 内容 の徹 底 的 理 解 の教 育 が 、情 報 過 多 とも い えそ うな こ んに ちの 時 代 に は 、 と りわ け 必要 な の で は な いか と思 う。 こ う した事 を考 え る につ け 、 さ ま ざ ま な年 齢 及 び 発 達 の 階層 に つ い て 、 自然 現 象 や 法則 に 関 す る認 識 と思 考 の具 体 的 な あ りよ うの実 態 を 分 析 す る こ とが た い へ ん重 要 で あ る こ とが わ か る。 そ のた め に よ り有 効 な 演 示 実 験 装 置 を 考 案 す る こ とが 強 く求 め られ て い る ので あ っ て、 拙 論 は そ の 目的 に ふ さわ しい 一 つ の 装 置 の 提 案 と、 そ れ に よ る調 査 の結 果 の一 部 分 を 紹 介 す る もの で あ る。. 2超. 重失重演示装置の考案. 演示装置に よる調 査の利点 演示 装 置 に よ る課 題 の提 示 の利 点 は い くつ か あ る。 第 一 に、 装 置 の機 構 や サ イ ズ な どに も よ る が 、一 台 で 多数 の 観察 者(被 験 者)に 一 度 に課 題 を提 示 し、 そ の意 味 を 正 確 に 理 解 させ る こ とが で き る こ とで あ る。 第二 に 、従 って安 価 に 、 また個 別 指 導 のわ ず らわ しさ もな く課 題 提 示 で き る こ とで あ る。 第三 に 、観 察 者 に よ る観 察 ・思 考 対 象 は間 違 い な くひ とつ の 全 く同 じ現 象 に対 して の もの で あ る こ とが保 証 され る こ とで あ る。 観 察 者 に よる個 別 実 験 ・観 察 な どの 場 合 は 、一 件 一 件 の実 験 ・観 察 が正 し く同 じ現 象 を結 果 して い るか ど うか 十 分 に 確 認 され な くて は な らな い面 倒 さが残 る。 個 別 実 験 ・観 察 に比 べ て不 利 な点 も もち ろ ん あ るが 、 この よ うに 利 点 も少 な か らず あ って 、 そ の長 所 を 生 かせ る よ うな演 示 装 置 を考 え る こ とが 大 切 で あ る。 科 学 観 形 成 の 素 因 調査 とい う意 味 で行 う演 示 実 験 な の で、 そ こに あ らわ れ る現 象 と して は で き るだ け 基 礎 的 で 基 本 的 な 、 そ して広 範 に成 立 す る法 則 性 を 包 含 して い る も のが 望 ま しい 。 今 回 は 私 は 、 勤 務 す る大学 の学 生 た ち と接 す る中 で か ね が ね 感 じて いた 、 物 理 学 の中 の 力 学 分 野 に お け る現 象 理 解 や認 識 の 状態 を調 べ る こ とに した 。 学 生 た ちが 、 基 本 的 な 力 学 法 則 を どの よ うに 理 解 し、 も し くは応 用能 力 を 身 につ け て こ んに ち に 至 って い るか 知 りた い と思 った 。 そ れ が わ か れ ば 、 彼 らの 自然観 、科 学 観 の形 成 上 の 問 題 点 の 少 な く とも一 角 に 触 れ る こ とが で き るだ ろ う。 そ れ に は どの よ うな演 示 装 置 を考 案 す る こ とが ふ さわ しいか 。 しか し、 これ は そ う簡 単 で は な い 。 私 が 自力 で しか も比 較 的 楽 に 調 査 す る こ とが で きる た め に は 、 自分 の勤 務 校 の学 生 を対 象 と し て 行 うの が も っ と も よい のは 言 うまで もな か ろ う。 受験 学 力 で 言 え ば まず まず の水 準 の学 生 た ち で あ る。 そ して 私 の今 年 度 の 教 養 教 育 の 受 講 生 の 約4割 は 看 護 学 部 お よび芸 術 工 学 部 の学 生(お よび ご く少 数 の 薬 学 部 生)で あ る。 他 は 人 文 社 会 学 部 と経 済 学 部 で あ って、 いず れ もほ とん どが 143.
(6) 一 年 生 で あ る。 理 学 部 ・工学 部 な どに 比 べ る と、 物 理 教 養 の程 度 は高 い とは 思 え な い 。 しか しそ れ に して も大 学 生 で あ る こ とを 考慮 す る と、 ひ とつ の演 示 装 置 で複 数 の法 則 性 を 含 む もの が よか ろ う。 こ う して さ ま ざ まに 思 案 した 結 果 考 え 出 した の が 、 「ア トウ ッ ドの 天 秤 」 の 変 形 と も言 え る、 「 超 重 失 重 演示 装 置 」 で あ る。 これ は 、 中 国長 春 市 に あ る東北 師 範 大 学 の 物 理 系 教 授 、韓 長 明氏 との 共 同 研 究 で 開 発 した もの で あ る。 中 国 で は重 力 と逆方 向の 等 加 速 度 運 動 を す る物 体 が 見 かけ 上重 くな る現 象 を 超 重 とい い 、 順 方 向 へ の等 加 速 度 運 動 で 見 か け の 重 量 が 小 さ くな る こ とを 失重 とい う概 念 で 表 して い る。 そ れ で この 新 開 発 の天 秤 は 、 超重 と失 重 の両 概 念 を 同時 に現 象す る の で超重 失重 演 示 装 置 と呼 ぶ こ と に した 。. ア トウ ッ ドの 天 秤 ア トウ ッ ドの 天 秤 は 図1に mで. あ る 。 ま た 天 秤 の 腕(ア. 示 す よ う な 装 置 で あ る 。 お も りa、b、cの. 質 量 は 各m、2m、3. ー ム)、 滑 車 、 ひ も等 、 重 さ は す べ て 無 視 で き る 程 度 に 軽 い とす る 。. こ の 時 、 ア ー ム の 左 右 の 両 端 に か か る 重 量 は 等 し く、 従 っ て ア ー ム は 水 平 状 態 を 保 つ 。 さ て 、 左 右 の バ ラ ン ス が と れ て い る 状 態 で 糸 玉 を 切 断 す る と こ の ア ー ム は ど の よ うに 振 舞 うか?. この 問題 を正 確 に理 解 す るの は 高 校 生 で も簡 単 で は な い。 そ もそ も図 1の 状 態 で ア ー ム が なぜ 水平 を 保 つ のか 直 感 的 に はわ か る よ うな 気 が す る 者 も 、 しば ら く考 え て い る と か え って 迷 っ て しま う事 が 多 い。 糸 Ｌ が 曲者 な の で あ る。 お も りaとbは. す べ て つ な が って. バ ラ ン スが とれ て い るの で 、重 量 を 打 ち消 し あ うの で はな い か と考 え た りす る ので あ る。. 図2ア. トウ ッ ドの 天秤. この 問 題 を 解 くに は 、 それ ぞれ の お も りに つ い て の 運 動 方 程 式 を考 え る必 要 が あ る。 題 意 か ら 言 えば 、 最 終 的 に は ア ー ムの 両端 の 糸 の 張 力TLと. ＴRの 大 小 の問題 で あ る。 この数 値 の大 き い方. に ア ー ムは 下 が る事 に な る。 そ こで 糸 Ｌを 切 った 時 に 、 お も りの 動 きが ＴLに ど うい う変 化 を 与 え るか を 考 えれ ば よい 事 に な る。. そ こで 、 ひ と まず この 問題 を解 い て み る事 に し よ う。(糸 Ｌが つ な が れ て い る 状 態 に つ い て は 省 略す る。) 糸 毛を 切 る と、 お も りaは 下 に動 きbは 上 昇す る。 滑 車 は 十 分 に滑 らか に 回 る と して、aの 下 向 き加 速 度(絶 対 値)を 144. α とす れ ばbの 加速 度(上. 向 き)も. αで あ る。 そ こ で.
(7) 以 上 か ら、 ア ー ムは 右 側 が 下 に 傾 くこ とに な る。(ア トウッ ドの天 秤 に 関 して は川 勝 博 著 『川 勝 先 生の物理授業』上巻. 海 鳴 社 を 参 照 した 。). この よ うに ア トウッ ドの 天秤 は 、物 体 の加 速 度 運 動 や 糸 の張 力 の比 較 な ど、 力 と運 動 に つ い て の基 本 概 念 や 法則 の初 歩 的応 用 問題 と して な か な か優 れ て い る。 しか し、 滑 車 周 りの 糸 で結 び 付 け られ た二 つ の重 りの挙 動 に伴 う天秤 棒(ア. ー ム)の 動 き を予 測 す る際 に、 ① 糸 を 切 る とい う不. 可 逆 過 程 が入 る の で、 実 験 の再 現 ・繰 り返 しが 少 し面 倒 な こ と. ② 基 本 的 に 必 要 な の は ア ー ム左. 端 の重 りの挙 動 につ い て の思 考 に と ど ま るの で 、 天 秤 と い う装 置 を 利 用 す る必 然性 が薄 い こ と。 ③ つ ま りア ー ムの 一 方 の 端 に か か る重 量(糸 の 張 力)変 化 に さえ 着 目す れ ば よい た め、 大 学 生 レ ベ ル で の 思 考 に 期 待 され る水 準 と して は や や 単純 す ぎ る、 な どの 問題 点 が あ る。 そ こで 、構 造 と して は も っ と単純 に 見 え る装 置 で は あ るが 、 も う少 し天 秤 全 体 に 思 考 を め ぐら せ る よ うな 、 そ して複 数 の要 素 が絡 み合 って見 え る よ うな もの を考 え た い と思 い、 案 出 した の が 、 以下 に述 べ る超 重 失 重 演 示 装 置 で あ る。. 開 発 した 超 重 失 重 演 示 装 置 図2に そ の構 造 模 式 図 を 示 す 。 見 て の 通 り、 非 常 に 単 純 な構 造 で あ る。 天秤 の ア ー ム の両 端 に は 摩 擦 の 少 な い 滑 車 が あ り、 これ に 非 常 に 軽 い 糸 五が か か って い る 。 糸 の 両端 に は お も りa、b が つ い て い る。aの 質 量 は Ｍ 、bは 質 量 Ｍ の お も りに質 量 ｍ の補 助 お も りが接 着 して あ る。 した が って 、 糸 Ｌは 自 由に動 く状態 に あ れ ば 、aが ア ー ム に到 達 す る ま で 向か っ て右 側 に 動 くこ と は 明 らか で あ る 。 一 方 、 ア ー ム の左 端 の 糸 の作 用 点 に はや は り質 量 ｍ の補 助 お も りを 固 定 して あ る。 した が って 、 ア ー ム両 端 に それ ぞれ か か っ て い る重 量 は ま った く等 しい。 糸 が 動 か な い 状 態 に な って い る時 、 天 秤 はバ ラ ンス が とれ て い て、 ア ー ム は水 平 状 態 を 保 って い る こ とに な る。 観 察 者(被 験 者)に 課 す 問 題 も以 下 の通 りきわ め て シ ン プル で あ る。 145.
(8) 今 、 天秤 を 手 で 支 え て ア ーム を 固定 した 状 態 で お も りaを 下 げ られ るだ け下 げ て そ の 状態 を維 持 す る。 つ ま りお も りbが アー ムの右 端 に 接 す る まで 糸 玉 を 左 に 移 動 させ る こ と に な る。 次 に ア ー ムを フ リーに す る と同 時 に お も りaを 解放 す る。 す る と お も りbの ほ うがaよ. り重 い の で 糸. は 右側 に 向 か って 運 動 す る こ とは さき に述 べ た 通 りで あ る。 で は そ の 時 、 つ ま りお も りと糸 の系 が 運 動 中 、 天 秤 の ア ー ムは い か な る動 きを 示 す か 。 そ の 動 きを 予 想 させ 、理 由 を考 え させ る の が この 装置 の 開 発 の 目的 で あ る。. 図3超. 重失重演示装置模式図. ()は. 質量. 天 秤 の ふ る ま い に つ い て の理 論 この超 重 失 重 演 示 装 置 の 実験 につ い て 、 ア ー ム の左 側 が下 に傾 く理 由 を考 え て み よ う。 基 本 的 に は ア トウ ッ ドの 天秤 で論 じた 理 屈 と同 じで あ る 。 お も りa、b、. 糸 の 系 が 自由 な状 態 に あ る 時 、 これ らは右 に 向 か っ て、 す な わ ちbが 下 向 きに. 落 下す る よ うに 移 動 す る。 この時 の加 速 度 を α とす る と. つ ま り、 ア ー ム の 両 端 に か か る 力 は 、 Ｆ 左＞ Ｆ 右で 、 ア ー ム は 左 に 下 が る こ とが わ か る の で あ る 。. 146.
(9) 観察者 の思考の特徴 この 装 置 を勤 務 校 で の 私 の教 養 科 目 「 人 間 形 成 と 自然 認 識 」 の 講 義 に 持 ち込 み 、教 卓 上 で構 造 の概 略 を 説 明 した後 、上 述 の よ うな課 題 を示 して ア ー ム の動 きを 予 想 させ 、 あ らか じめ提 示 した 四つ の選 択 肢(表2、. 図3参 照)か. ら予 想 と一 致 す る も のを 選 ば せ 記 録 させ た 。次 に実 験 を 行 っ. て 、結 果 を確 認 させ た が 、 ア ー ムの動 きは 大 半 の 学 生 の 予 測 を 裏 切 る もの で あ った の で、 彼 ら は 再 三 にわ た りこの動 き を再 現 す る よ う要 求 した 。 全 員 が ア ー ム の動 き を確 認 した あ と、 ① 自分 が 最 初 に 出 した 予 想 とそ の根 拠 につ い て の評 価 、 ② 実 験 結 果 か ら見 て天 秤 の この振 る舞 い の 理 由 を ど う考 え る か 、 の 二 点 に つ い て 記 述 させ た 。 (学 生 数118名)。 学 生 た ち の実 験 時 の 反 応 か ら もわ か る よ うに 、 学 生 に よる予 想 は そ の多 くが 実験 結 果 とは 異 な る もの で あ った 。 天 秤 は 向か って 左 側 が下 が る と正 し く答 え た者 は表1に 示 す よ うに② の27名 、 約23%で. あ る。 そ こそ この 正 答 率 と も見 え る が 、実 は そ の根 拠 とす る と ころを み る と、 大半 は物. 理 法 則 か らみ て ま った く不 適 当 な 理 由 を あ げ 、 あ る い は不 明 と してい る(表3参. 照)。 逆 に 言 え. ば 、 力 学 の 基 礎 法 則 に 関 して 、 人 々の 陥 りや す い認 識 の誤 りが 表 現 され てい る こ とに な り、 重 要 な 分析 対 象 と言 え るだ ろ う。 表2学. 生の回答一天秤 の動 きについての予想分析. ①右 が下 がる ②左 が下 がる ③左右に振動す る ④ 水 平 の ま ま 37人31.4%. 27人22.9%. 21人17.8%. 33人28%. ①rightsidedown. ②rightsideUP. ③swing. ④keephorizontal. 図4天. 計 118人100%. 秤 の ふ るま い に つ い て の 予 測. 147.
(10) 実 験 結 果 か ら見 た 時 、 アー ムの動 きの物 理 的 な根 拠 を ど う考 え れ ば よいか につ い て の記 述 も、 彼 ら の認 識 状 況 や 思考 様 式 を探 る上 で、 た い へ ん興 味 深 い もの で あ った。 詳 細 な デ ー タ と議 論 は 別 稿 に ゆ ず る が 、実 験 の 前 と後 とで ア ー ムの動 きにつ い て ど うい う解 釈 を した か を 、 筆 者 の 簡 単 な コ メ ン トを含 め た形 で次 に一 覧 表 に ま とめ た。 表3演. 示装置 による実 験前 と後における見解 とその特徴. 失 重 ・超重 演示 装 置 一 実験 前 予 測 とそ の特 徴 ア ー ム のふ る ま い の予 測 分 布. ①31.4%④28%②22.9%③17.8%. ① の根拠. 「 お も り(糸)の に 欠 け る見 解 。. ④ の根拠. 「お も り(糸)の. 動 きに 引 きず られ る」 が圧 倒 的 多 数(89.2%)で. 、 そ の他 は論 理 性. 動 き と ア ー ム の 動 き は 独 立 」 と 考 え る 者 が 大 半(66.7%)で. 、1割. あ ま りは 天 秤 の 性 質 に 帰 着 。. ③ の根拠. 「 お も り(糸)の. 動 き(振 動)に. く振 動 」 が 、 各33%、24%。. よる影 響 」「水平 を保 と う とす る天 秤 の 性 質 で しば ら. 糸 の長 さ の変 化 の影 響 を あ げ る も の も。. ② を 正 解 した 割 合. 全 体 の 約23%、4人. ② を 選 ん だ理 由. 正 解 者 が 比較 的 高率 で あ る に もか か わ らず 、 そ の根 拠 を見 る と間 違 った 考 え 方 に 基 づ. 各 予 測 を通 じて 示 され た根 拠 の 特徴. に一 人 が. 「正 解 」 し た の は 、 結 果 と し て は か な り高 率 。. く もの が 大半 で あ っ た。 多 数 が 「お も り(糸)の 動 き とア ー ムの 動 きは 独 立 」 を 選 択 (37%)。 作 用 点 か ら の糸 の長 さ の変 化 が モ ー メ ン トに 影 響 を 与 え た とす る 者 が そ れ に 次 ぐ(22.2%)。 論 理 上 問 題 の あ る見 解 も少 な くな く(空 気 抵 抗 、 重 さ の移 動 、 他)、正 解 に近 い根 拠 を示 した も のは2人(7.4%)。 最 多 は 「お も り(糸)の 動 き に引 きず られ る」 の約30%。 次 い で 「 お も り(糸)の 動 き とア ー ムの 動 きは 独 立 」 の ほぼ27%。 この 二 つ で6割 近 い こ とに な る。 ま っ こ うか ら異 な る見 解 が拮 抗 して い る こ とに な る。 また 、 天 秤 とい うもの は水 平 を保 と う とす る とい う本 性 が あ る と考 え る者 や 、 作 用 点(プ ー リー)か らの 糸 の長 さ(お も りま で の距 離)が モ ー メ ン トに 影 響 を 与 え る と考 え る老 が い ず れ も約10%、7%と 意 外に多 い の も特 徴 的 で あ る。 これ ら一 見 、 物 理 学 的 法 則 と錯 覚 しそ うな見 解 が 持 たれ やす い 事 は、 十 分 に 注 意 され る必 要 が あ る。. 失 重 ・超 重演 示 装 置 一 実験 後 の 見解 とそ の特 徴 ②の 「 正解者」 が あげ る根 拠. 4割 が. 「お も り(糸)の. 名 、92.6%に. 当初 予 測 ① の 者 が採 った 根 拠. 動 き と ア ー ム の 動 き は 独 立 」 を あ げ て い る の を は じめ 、 多 く. が 実 験 前 の 見 解 を保 持 して い る。 ② を 選択 した 者27名 の うち 、見 解 を 保 持 した 者 は25 の ぼ る。 選 択 が. 「正 解 」 で あ る こ と に 満 足 し て 、 初 め か ら 理 由 の わ か ら. な か った 者 を 含 め 、 よ り深 い 検 討 を放 棄 して い る と言 え る。 「 天 秤 の アー ムは バ ラ ンス を保 と う とす る」 か ら、 と② の根 拠 を 推 測 す る者 が 最 多 の 27%で. あ る。 これ と同率 で並 ん で い る の が 、わ か らな くな って 判 断 を保 留 して し ま っ. た も の で あ り、 そ れ は. 「お も り(糸)の. 動 き と ア ー ム の 動 き は 独 立 」21.6%を. 上 回 る。. い ず れ もそ の ほ とん どが、 お も りの動 き に 引 きず られ て右 が 下 が る と考 え た こ とか ら の 判 断 の 切 り替 えだ け に戸 惑 い を か くせな い のだ ろ う。 当初予測④の者 が 採 った 根拠. 判 断 を あ きら め た者 が30.3%に 天秤の. の ぼ る。 ① の者 よ りさ らに 戸 惑 い が強 い の か 。 最 多 は. 「 本 性 」 に 頼 ろ う と す る 者 で 実 験 前 に も 約12%あ. っ た が 、21.2%に. 増 えている。. そ の 多 く は 「お も り(糸)の 動 き と ア ー ム の動 き は独 立 」 か らの移 行 で あ る。 とい う こ と は 、 これ が 否 定 さ れ た の で 、 ア ー ム は そ の 平 衡 状 態 か ら 、 い っ た ん 右 お も りの 落. 下 に よ り① の状 態 に は い ろ うと した が 、 反 動 で 大 き く左 に バ ラ ンスを 移 した と考 え た の で あ ろ う。 ④ で 「 独 立 」 事 象 と した もの も② で もそ の 見解 を保 持 した 者 が22名 中5 名 あ っ た。 これ は 、 独 立 だ か ら、 水 平 を 保 って い る と考 え た が、 お も りが動 く間 は糸 の 張 力 が プ ー リ ー に か か ら な くな る と 考 え た よ うで あ る 。. 注 目す べ きは 、 ② の 根 拠 と して ほ ぼ 正 解 と言 え る 「 失 重・ 超 重 」「 下 向 きに 加 速 す る も の は軽 くな る」 な どの 見 解 が 、 この 当 初 予 測 ④ の 中 か らのみ 出て きて い る こ と で あ る (15.2%)。. 当初 予 測 ③ の者 が採 った 根 拠. わ け が わ か らな くな って し ま った と思 わ れ る者 が 、 最 も多か った 。 当 初 ③ の 根 拠 を 示 せ な い19%を. 含 め 、 最 終 的 に52.4%に. 達 す る 者 が 根 拠 を 保 留 して い る の で あ る 。 と く. に 、「 お も りの 動 きや 振動 の影 響 で」 ア ー ム も振動 す る と考 えた 者 の7割 が ② に つ い て の 判 断 を 放 棄 して い る。 根 拠 を 挙 げ た もの は や は り大半 が お も り(糸)の 動 きの 間 は 荷 重 が か か らな い とす る 見解 を 支 持 して い る(33.3%)。 た 者 の そ の 見 解 の支 持 率37%に 匹 敵 す る。. 148. これ は 、 当 初 予 測 で ② を 挙 げ.
(11) お わ りに 本 来 は こ こか らが本 論 と して期 待 され るべ き とこ ろ で、20歳 前 後 の青 年 た ち が過 去 の学 校 教 育 で の理 科 学 習 を 中心 と した場 で形 成 させ て きた 物 理 現 象 理 解 や 物 理 法則 の認 識 の実 態 を、 詳 細 に 分 析 す べ き な の で あ るが 、 拙 論 は まず は そ の た め の演 示 装 置 を 考 案 開発 した こ とを報 告 す る事 に 主 眼 が あ る。 そ の 目的 とす る と こ ろの 上 述 の 件 は 、 調査 数 の上 積 み を得 て、 よ り詳 細 に分 析 して 報 告 す る こ とに す る。 な お 、 本 演 示 装 置 の 開 発 は 、 先 に もふ れ た よ うに本 学 部 外 国 人客 員 研 究 員 と して 招 請 した 韓 長 明 教 授 と の共 同 研 究 の成 果 で あ る。 同教 授 とは投 影 式PV自. 動 記 録演 示装 置 も開 発 し、 これ ら 二. つ の 装 置 は株 式 会 社 内 田洋 行 に よる全 国教 職 員 発 明考 案 懸 賞 に て 、 そ れ ぞ れ 入 賞 ・審査 員 特 別 賞 を受 賞 した 。 また 、本 演 示 装 置 は99年8月. の物 理 教 育 国 際 会 議(ICPT;中. 示 装 置 に よ る実 験 結 果 の考 察 につ い て は2000年8月. 国 ・桂 林)に て 、本 演. の 同 会 議(GREP;ス. ペ イ ン ・バ ル セ ロナ). に て報 告 し、 少 な か らぬ 関 心 を 示 され た ことを 併 せ て 報 告 して お きた い。 最 後 に本 演 示 装 置 の 正 確 な 構 造 図 を 以 下 に 示 して お く。. 1滑. 車(プ. ー リー)2滑. 5天. 秤 ア ー ム6糸7追. 図5超. 車 軸3支. 点 軸 外 管4支. 加 お も り8お. 点軸. もり. 重失重 演示装置構造 図. 149.
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