高等学校
平 成11年 度
教 育 研 究 員 研 究 報 告 書
回
東 京 都 教 育 委 員 会
平 成11年 度
教 育 研 究 員 名 簿(理 科)
分 野 学 校 名 氏 名
物
理
都 立 青 山 高 等 学 校 都 立 墨 田 川 高 等 学 校 都 立 三 鷹 高 等 学 校
小 林 雅 之 田 原 輝 夫 澤 蔚 陽 彦
化
学
都 立 大 森 東 高 等 学 校 都 立 小 石 川 工 業 高 等 学 校 都 立 大 山 高 等 学 校 都 立 小 平 南 高 等 学 校
高 木 春 光 藤 井 大 輔 安 田 延 義
野 澤 隆
生
物
都 立 城 東 高 等 学 校 都 立 忠 生 高 等 学 校 都 立 久 留 米 高 等 学 校 都 立 南 野 高 等 学 校
黒 田 淳 子
平 山 大
小 林 光 明 高 岡 政 弘
地 学
都 立 明 正 高 等 学 校 都 立 淵 江 高 等 学 校
気 谷 昭 広 鈴 木 将 志
担 当 教育庁指導 部高等学校教 育指導課 指導主事 荒 川 洋
自然 や環境 に対 する興味 ・関心 を高め 、 科学的 な思考 力や問題解決の能 力 を養 う指導
1 H 皿
主題設 定の理由
目 次
‑ ← 2 0 0 濯 仕
具体 的な研 究方針 と研究 の概要
研究 内容
手 軽 な 実 験 を 通 して 、 環 境 の 中 の エ ネ ル ギ ー を 探 究 させ る 指 導
凝 集 剤 を 用 い た 浄 水 方 法 の 再 現 と水 環 境 保 全 の 大 切 さ を 理 解 さ せ る 指 導
土 壌 微 生 物(分 解 者)の 役 割 を 通 して 、 自然 環 境 を 考 え さ せ る 指 導
地 球 の 温 度 変 化 に 着 目 し て 、 地 球 環 境 に つ い て 考 え させ る 指 導
り 自 り ρ
IV研 究 の ま と め と 今 後 の 課 題
4 ∩ コ 4 Q U 4 1 り ユ 9 乙
自然や環境 に対 す る興味 ・関心 を高 め、科学的 な思考 力や問題解決 の能力 を養 う指導
〜 見 えない もの を見 るための指 導法の工夫 〜
1主 題 設 定 の 理 由
二 十 世 紀 は 科 学 の 時 代 と い わ れ て い る 。 特 に こ の 数 十 年 の 進 歩 は 人 類 史 上 比 類 な い もの と な っ て い る 。 各 専 門 分 野 の 分 化 細 分 化 は 加 速 度 的 に 進 み 、 近 縁 の 分 野 で さ え 互 い に理 解 し に く い も の に な りつ つ あ る 。 反 面 、 各 分 野 を つ な ぐ役 割(学 際 領 域)や 総 合 的 な 視 野 と そ れ を も と に し た 高 度 な 理 解 力 や 判 断 力 が 、 こ れ か ら ま す ま す 求 め ら れ て く る こ と が 考 え ら れ る 。 例 え ば 、 人 間 生 活 が 地 球 環 境 に 大 き な 影 響 を 及 ぼ す よ う に な り、 環 境 保 全 の 必 要 性 が 一 般 的 に も 高 ま っ て い る 。 こ の よ う な 環 境 問 題 に 対 す る に は 、 専 門 的 な 知 識 は も と よ り社 会 科 学 や 人 文 科 学 ま で も 取 り入 れ た 広 い 視 野 か ら の 問 題 提 起 と 、 そ の 解 決 の た め の 総 合 的 な 判 断 力 と 実 行 力 が 強 く 求 め
ら れ て い る 。
高 等 学 校 の 理 科 に お い て も 、 そ の 必 要 性 か ら 環 境 教 育 が 大 き な 課 題 の 一 つ と な っ て い る 。 例 え ば 新 学 習 指 導 要 領 で は 、 「自 然 に対 す る 関 心 や 探 究 心 を 高 め 、 科 学 的 に 探 究 す る 能 力 と 態 度 を 育 て る と と も に 、 自 然 の 事 象 や 現 象 に つ い て の 理 解 を 深 め 、科 学 的 な 自 然 観 を 育 成 す る 。」
こ と が 目標 と して 掲 げ られ て い る 。 具 体 的 に は 「理 科 基 礎 」 「理 科 総 合A」 「理 科 総 合B」 に お い て 、 「科 学 技 術 の 進 歩 と 人 間 生 活 」 や 「人 間 の 活 動 と 地 球 環 境 の 変 化 」 な ど 、 人 間 と 自 然 と の か か わ り を 総 合 的 に 考 察 させ 、 自 然 に 対 す る 的 確 な 見 方 や 考 え 方 を 養 う 内 容 を 取 り上 げ て い る 。 様 々 な 理 科 の 学 習 を 通 じ て 得 た も の か ら総 合 的 に 考 え 判 断 し、 身 近 な 生 活 に 生 か す こ と の で き る 人 間 の 育 成 が 広 く求 め ら れ て い る 。 そ の 中 心 を な す もの と して 高 等 学 校 に お け る 理 科 教 育 の 重 要 性 は ま す ま す 高 ま っ て い る と考 え る 。
そ の た め に も 、 生 徒 た ち の 科 学 嫌 い や 理 科 離 れ を い か に 食 い 止 め 、 身 近 な 環 境 や 自 然 に 対 す る 興 味 ・関 心 を 高 め どの よ う に 科 学 的 な 自 然 観 を 育 成 す る か 、 そ れ に 必 要 な 科 学 的 な 思 考 力 や 問 題 解 決 の た め の 能 力 を 養 う に は ど うす れ ば よ い か 、 そ の 方 法 と 内 容 に つ い て 研 究 す る こ と と し た 。 具 体 的 に は 、 普 通 の 感 覚 で は 意 識 さ れ な い が 、 人 間 生 活 に 深 くか か わ りを も つ 巨 視 的 な も の や 微 視 的 な も の を い か に 認 識 させ 理 解 させ る か に 重 点 を 置 い た 研 究 を 行 っ た 。
H具 体 的 な 研 究 方 針 と 研 究 の 概 要
本 研 究 に お い て は 、 新 学 習 指 導 要 領 の 「理 科 総 合A」 「理 科 総 合B」 を 視 野 に 入 れ な が ら 、 現 行 の 学 習 指 導 要 領 の 中 に お い て も充 分 活 用 で き る よ う な 教 材 の 開 発 と指 導 方 法 の 工 夫 を 試 み た 。 研 究 の 当 初 に お い て は 各 科 目 の 枠 を 取 り さ り、 そ れ ぞ れ の 科 目(物 理 ・化 学 ・生 物 ・地 学) の 知 見 とカ を 総 合 化 す る 方 向 も模 索 した が 、 最 終 的 に は 「入 間 と環 境 」 と い う 共 通 の 認 識 の 上 で 、 研 究 主 題 に 即 し た 各 分 野 の 研 究 内 容 を現 行 の 科 目 ご と に 設 定 す る こ と と な っ た 。 そ の 結 果 、 火 ・エ ネ ル ギ ー(物 理)、 水(化 学)、 土(生 物)、 大 気(地 学)と 、 偶 然 に も 科 学 の 基 礎 を な
した と い わ れ る 四 元 説 の 要 素 を 「環 境 」 と い う視 点 か ら取 り扱 う こ と と な っ た 。 基 本 的 に は 身 近 な もの の 中 で 、 普 段 は 気 付 か な い も の 、 目 に は 見 え な い も の に 対 して 、 ど の よ う に 興 味 ・関 心 を 引 き 出 す か 。 ま た 、 そ の 中 に あ る 本 質 的 な 課 題 に ど の よ う に取 り組 み 科 学 的 に 解 決 し て い
くか 、 そ の 過 程 に 重 点 を お く 指 導 法 は ど の よ う な も の か を 模 索 す る こ と を 試 み た 。
1物 理 一 「手 軽 な 実 験 を 通 して 、 環 境 の 中 の エ ネ ル ギ ー を探 究 さ せ る 指 導 」
現 代 の 生 活 は 、 エ ネ ル ギ ー の 利 用 な く して は 成 り立 た な い 。 日常 の 言 葉 と し て 誰 も が 使 い 、 多 くの 生 徒 は エ ネ ル ギ ー の 重 要 性 の 認 識 が あ る 。 だ が 、 エ ネ ル ギ ー の 概 念 を 正 し く理 解 し て い る 生 徒 は 意 外 に 少 な く、 感 覚 的 に 便 利 な 言 葉 と して 知 ら れ て い る に す ぎ な い 。 地 球 規 模 で の エ ネ ル ギ ー の 利 用 に つ い て 個 々 の 判 断 が 要 求 さ れ る 一 方 で 、 急 速 に 進 む 科 学 技 術 に 現 代 人 が 取 り 残 さ れ 科 学 に 対 す る 認 識 は 薄 れ 、 嫌 悪 感 さ え 漂 い 始 め て い る 。
理 科 と り わ け 物 理 は 、 学 校 教 育 の 中 で エ ネ ル ギ ー の 概 念 と定 義 を正 し く伝 え る 科 目 と し て 重 要 な もの で あ る 。 しか し、 物 理 は 選 択 科 目 の 一 つ と な り、 エ ネ ル ギ ー の 概 念 を 学 ぶ か 否 か は 生 徒 の 自 由 意 思 に 任 さ れ て い る 側 面 も あ る 。 そ こ で 、 エ ネ ル ギ ー に つ い て 授 業 の 中 だ け で な く 、
公 開 講 座 な ど 多 様 な 場 面 で の 展 開 の 可 能 性 も 模 索 した 。
2化 学 一 「凝 集 剤 を 用 い た 浄 水 方 法 の 再 現 と水 環 境 保 全 の 大 切 さ を理 解 さ せ る指 導 」
生 活 環 境 の 中 で も っ と も 身 近 な も の の 一 つ で あ る 水 を取 りあ げ た 。 水 道 水 は 生 き て い く上 で 必 要 不 可 欠 な も の で あ る が 、 昨 今 そ の 水 質 に つ い て 疑 問 を も つ 人 が 増 え て い る 。 水 道 水 は 浄 水 場 に よ り河 川 水 か ら つ く ら れ て い る が 、 そ の 過 程 で の 化 学 的 処 理 の 教 材 化 を 試 み た 。
水 道 原 水 で あ る 河 川 水 は 粘 土 や 有 機 物 を含 む コ ロ イ ド溶 液 で 、 実 際 に 浄 水 場 で 用 い ら れ て い る 凝 集 沈 殿 剤(PAC)に よ る 凝 析 を行 な い 、 そ の コ ロ イ ド溶 液 を 沈 殿 さ せ る 実 験 を 行 っ た 。 同 時 に 、 凝 集 沈 殿 で は 有 機 物 を完 全 に 除 去 で き な い こ と を 確 認 し た 。 そ して 浄 水 処 理 の し く み を理 解 さ せ る こ と に よ り、 き れ い な 水 の 大 切 さ を 考 え させ た 。
3生 物 一 「土 壌 微 生 物(分 解 者)の 役 割 を通 し て 、 自 然 環 境 を 考 え さ せ る 指 導 」
様 々 な 環 境 問 題 が 社 会 問 題 と し て 大 き く取 り上 げ ら れ 、 自 然 と の 協 調 と共 生 の 重 要 性 が 求 め ら れ て い る 。 しか し 、 本 来 の 自然 環 境 を 知 らず し て 、 環 境 問 題 や 自 然 保 護 を 語 る こ と は で き な い 。 そ の た め に は 、 ま ず 自然 環 境 の 中 で の 生 命 現 象 、 生 物 同 士 の つ な が り を 知 る こ とが 重 要 で あ る 。 そ こ で 、 身 近 な 自 然 と し て の 「土 」 と そ の 中 に 生 き る 生 物 群 集 を 取 り上 げ る こ と に した 。 土 壌 生 物 と い わ れ る 生 物 群 集 の 中 で も特 に 微 生 物 群 に 注 目 し、 そ れ ら が 有 機 物 を 分 解 し て 生 産 者 が 再 利 用 で き る 無 機 物 に か え る 働 き を 理 解 さ せ 、 無 機 的 環 境 と 生 物 群 集 の つ な が り に つ い て 考 え さ せ る こ と に 重 点 を 置 い た 。
4地 学 一 「地 球 の 温 度 変 化 に 着 目 し て 、 地 球 環 境 に つ い て 考 え さ せ る 指 導 」
地 球 的 規 模 の 環 境 問 題 の 一 つ と して 「地 球 温 暖 化 問 題 」 が あ る 。 ま た 、 過 去 の 地 球 で も 、 氷 期 ・間 氷 期 と い っ た 気 温 の 変 動 が あ っ た こ と が 知 ら れ て い る 。 こ こ で は 、 地 球 の 温 度 変 化 に 着 目 し 、 地 球 環 境 の 複 雑 さ に つ い て 考 え 理 解 を 深 め ら れ る よ う な 指 導 の 工 夫 を 試 み た 。 具 体 的 に は 、 地 球 温 暖 化 に よ っ て 地 球 に ど の よ う な 変 化 が 生 じる か を 、 科 学 的 論 拠 に 基 づ き考 え さ せ る こ と 、 そ し て 、 過 去 の 気 温 変 動 と 生 物 分 布 な ど へ の 影 響 を 、 海 底 地 形 図 等 を 用 い た 実 習 を 通 し て 理 解 さ せ る こ と の 、 二 つ の 側 面 か ら授 業 展 開 を 行 っ て み た 。 そ の 申 で 特 に 、 時 間 的 ・空 間 的
に 広 い 視 野 を も た せ る よ う に 工 夫 す る と と も に 、 生 徒 自 ら が 探 究 し発 見 で き る よ う に す る こ と を重 点 目標 に し て 、 教 材 の 研 究 を 行 っ た 。
皿 研 究内容 國
1手 軽 な 実 験 を通 し て 、 環 境 の 中 の エ ネ ル ギ ー を探 究 さ せ る 指 導 (1)は じめ に
科 学 技 術 を 応 用 し た 生 活 必 需 品 の 多 くが 、 電 気 エ ネ ル ギ ー の 変 換 器 具 で あ る 。 エ ネ ル ギ ー の 概 念 と 言 葉 が 誕 生 した の は 約 百 年 前 で 、 人 類 の 歴 史 か ら み れ ば 最 近 の こ と で あ る が 、
「エ ネ ル ギ ー 」 と い う 言 葉 は 誰 もが 知 っ て い て 、 そ の 重 要 性 を 認 識 し て い る 。 し か し 、 エ ネ ル ギ ー の 概 念 を 正 し く理 解 し て い る 者 は 少 数 で あ る 。 原 子 力 発 電 な ど 、 地 球 規 模 の エ ネ ル ギ ー に つ い て 国 民 的 な 認 識 が 要 求 さ れ る 一 方 、 一 般 の 人 が 急 速 に 進 化 す る 科 学 に 取 り残 さ れ 、 科 学 へ の 認 識 が 薄 れ て い る 状 況 に つ い て 、 我 々 は 危 機 感 を 強 め て い る 。
理 科 、 特 に物 理 は 、 エ ネ ル ギ ー の 概 念 と定 義 を 正 し く伝 え る 教 科 ・科 目 と して 、 そ の 使 命 は 重 要 で あ る 。 「物 理IA」 「物 理IB」 「物 理H」 の 各 科 目 は 、 学 校 に よ り教 育 課 程 の 位 置 付 け は選 択 科 目等 多 様 で あ る 。 ま た 、 来 年 度 か ら始 ま る 「総 合 的 な 学 習 の 時 間 」 に お け る 生 徒 の エ ネ ル ギ ー概 念 の 形 成 を 目 的 と して 、 「環 境 の 中 の エ ネ ル ギ ー 」 の 研 究 を 行 っ た 。
② 指 導 計 画
本 研 究 の ね ら い は 、 第1に 「エ ネ ル ギ ー に 関 す る 実 験 を 通 して 、 エ ネ ル ギ ー の 多 様 性 や 保 存 則 を 理 解 す る 。」、 第2に 「エ ネ ル ギ ー と い う視 点 で 身 の 回 りの 諸 現 象 を観 察 ・探 究 し、
身 近 な 自 然 や 生 活 環 境 に 対 す る 興 味 ・関 心 を高 め 、 科 学 的 な 思 考 力 や 問 題 解 決 能 力 を 身 に 付 け る 。」 こ と で あ る 。
第1の ね ら い の 達 成 目標 は 、 エ ネ ル ギ ー の ① 「仕 事 を す る こ と が で き る 」、 ② 「様 々 な 形 態 が あ る 」、 ③ 「形 態 が 変 化 して も 消 滅 し な い 」 と い う 性 質 の 理 解 で あ る 。
第2の ね ら い の 達 成 目標 は 、 ④ 「身 の 回 り の 諸 現 象 に お い て 、 ど の よ う な エ ネ ル ギ ー の 変 換 が 起 き て い る か 判 断 で き る 。」、 ⑤ 「火 力 ・水 力 ・原 子 力 ・太 陽 光 ・風 力 な ど に よ る 発 電 を エ ネ ル ギ ー の 変 換 と い う 視 点 で と ら え 、 エ ネ ル ギ ー の 源 を 追 究 で き る 。」、 ⑥ 「地 球 規 模 の 自然 環 境 の 中 の エ ネ ル ギ ー 変 換 の 流 れ が あ る こ と に 気 付 く 。」 と い う 生 徒 の 能 力 の 開 発 で あ る 。 そ こ で 、 次 の 指 導 項 目 を 設 定 し て 学 習 指 導 案 を 立 て た 。
① 「エ ネ ル ギ ー の 定 義 」
② 「さ ま ざ ま な エ ネ ル ギ ー と そ れ ぞ れ の 特 徴 」
③ 「エ ネ ル ギ ー の 移 り変 わ り と エ ネ ル ギ ー の 保 存 」
④ 「生 活 環 境 中 の 現 象 と エ ネ ル ギ ー の 移 り変 わ り」
⑤ 「発 電 の し くみ と エ ネ ル ギ ー の 移 り変 わ り」
⑥ 「地 球 規 模 の エ ネ ル ギ ー の 循 環 」 (3)主 な 教 材 に つ い て
エ ネ ル ギ ー の 概 念 形 成 に つ い て は 、 主 に2学 年 「物 理IB」 で 、 新 し く開 発 した 実 験 は 、 3年 生 「物 理IB」 「物 理IIJの 探 究 活 動 と して 授 業 の 実 践 を行 っ た 。 「見 え な い エ ネ ル ギ ー」
を 、 生 徒 が 把 握 で き る よ う に 従 来 の 実 験 に 工 夫 を 加 え た り、 身 近 な 素 材 や お も ち ゃ 、 新 素 材 を 取 り入 れ て 、 生 徒 の 興 味 ・関 心 が 高 ま る よ う に 心 掛 け た 。 生 徒 に 好 評 で 、 教 育 的 な 効 果 が 確 認 さ れ た 授 業 実 践 を 報 告 す る 。
表1‑1 学習指導案
時間 指 導 項 目 ・ 内 容 学 習 活 動 準 備 ・留 意 点
20 指 導 項 目:「 エ ネル ギ ー の定 義 」 ① お もりを引 き上 げ た り、台 車 を加 速 する な ど、仕事 の具 体例 力 学 台 車 、100gの
分 ① 仕事の定義 と具体例の提示 を観察 す る。W=毘 の公式 で仕 事 を計算 す るこ とが で きる。 お も り
・(仕 事)=で 力)x(力 の 向 きへ の 移動 距 離) ②ioogの お も り をimだ け 引 き上 げ る 仕 事=1kgの お も
② 仕事の単位 りをloanだ け引 き上 げ る仕 事 ≒IJ…IJの 仕 事 を実 感 す る 。
・INの 力 で 且mだ け物 体 を動 か す と き の仕 事 を1Jと い う 。 ③ エ ネ ル ギ ーの 定 義 を学 び 、100Jの エ ネ ル ギ ー を も っ た
③ エ ネルギーの定義 物 体 が30Jの 仕 事 を す る と、 物体 に 残 っ た エ ネ ル ギ ー は
・(物 体 の エ ネ ル ギ ー}=(物 体 が外 部 に 対 して な し得 る仕 事) 70」に な る こ とを 理 解 す る 。
30 指 導 項 目:「 さ ま ざ ま な エ ネ ル ギ ー とそ れ ぞ れ の特 徴 」 プ リ ン ト
分 ① きまざまなエ ネルギーの演 示実験 と例示 ① 演 示 実 験 を観 察 した り、例 示 さ れ た こ とが ら を プ リ ン ト (実験 準 備)台 車 、 滑
● 運 動 エ ネ ル ギ ー:運 動 す る 台 車 が お も りを 引 き上 げ る 。 に ま と め る こ と に よ っ て 、仕 事 と エ ネ ル ギ ーの 関 係 に基 づ 車 、 お も り、 水 車 、
● 重 力 に よ る位 置 エ ネ ル ギ ー:滑 車 を 通 した お も りで 台 車 を 引 く。 い て 各種 エ ネ ル ギ ー につ い て の具 体 的 な イ メ ー ジ を獲 得 す ばね 、ジ ャン ピング ・
● 弾性力 による位 置エネルギー:縮 めたばねの弾性 力で台車を発射する。 る 。
■、
ト イ 、 フ ラ ス コ 、 圧
弾性力 を利 用 した跳 ねるお もちゃ。 プ リ ン トで 、 「〜 は 、 一 の仕 事 をす る能 力 を 持 っ て い る 射 器 、 ゴ ム管 、熱湯 、
● 熱 エ ネ ル ギー(内 部 エ ネ ル ギ ー).フ ラ ス コ と注射 器 を ゴ ム管 でつ な ぎ、 の で エ ネ ル ギ ー を持 っ て い る 。」 とい う理 解 の 仕 方 で ひ と ス ター リ ング エ ンジ フ ラ ス コ に 熱 湯 を か け る と ピス トンが 押 し出 され る 。 つ ひ とつ の エ ネ ル ギ ー を確 認 す る 。 ン 、1Fコ ン デ ン サ ー 、
● 電 気 的 エ ネ ル ギ ー:コ ンデ ンサ ー の 電 気 で モ ー ター を 回 す 。 プ ー リー付 きモ ー ター 、
● 化 学 的 エ ネ ル ギ ー:電 池 で モ ー ター を回 す 。 ア ル コール を燃や してス ター 電 池 、 太 陽 電池 、100
リ ン グ エ ン ジ ンを 動 か す 。 W電 球、太陽電池用
● 光 エ ネ ル ギー:光 を 太 陽 電 池 に あ て て 発 電 しモ ー ター を回 す 。 モ ー ター 、 電 子 レ ン
● 波 のエ ネ ル ギ ー(水 面 波 、 電 磁 波 、 音 波 、 地 震 波)=水 面 波 干 渉 。 電 子 ジ 、 霧 箱
レンジで水 を温める。共鳴管で コルク粉 を振動 させる。 (注)こ れ らの 実 験 を
● 核 エ ネ ル ギ ー=放 射 線 の 観 察 。 核 エ ネ ルギ ー は 熱 エ ネ ルギ ー と して 取 り 可能な範囲で行 う。
出 さ れ る こ とを 説 明 す る 。
②それ ぞれのエネルギーの特徴 ②演示 または例示 された各種のエネルギーについて次の よ
轍送性 、貯 蓄性 、利便性 な どの観点か らエ ネルギー を分類 させる。 うな 指 標 に も とつ い て 分 類 を行 う。(プ リ ン ト)
ア 輸 送 しや す い エ ネ ル ギ ー ア 輸 送 しや す い もの とそ うで な い もの
・電 気 的 、 化 学 的 、 核 エ ネ ルギ ー 〈送 電 線 、 パ イ プ ラ イ ン、 貨 物 輸 送)
イ 蓄 え や す い エ ネ ル ギ ー イ蓄 え や す い もの とそ うで な い もの
・位 置 、 化 学 的 、 核 エ ネ ルギ ー(ダ ムの 水 、石 油 、 天 然 ガス な ど)
ウ 取 り扱 い や す い エ ネ ルギ ー ウ取 り扱 い や す い もの とそ うで な い もの
・電 気 的 、 化 学 的 エ ネル ギ ー(電 気 製 品 、 電 池 、 石 油 な ど)
エ その他の指標(安 全性、供給の安定性 など) エ そ の 他 の 基 準 に つ い て も考 察 す る 。
so 指 導 項 目=rエ ネ ル ギ ー の 移 り変 わ り と エ ネル ギ ー の 保 存 」 ① 課 題 実 験 群(そ の1>を 行 い 、 各 実験 毎 に 、 どの よ う な 実 験 プ リ ン ト
分 ①課題実験 群(そ の1) 装 置 に よっ て 、 エ ネル ギ ー が どの よ うに 移 り変 わ っ た か を ①②(準備)手回 し発 i ・手 回 し発電 機で発電 し豆電球 を点灯 させ る。 プ リ ン トに ま とめ る 。 そ して 、 エ ネ ル ギ ー の 形 態 は 絶 え ず 電 機 、 豆 電 球 、1F 100
分
・手 回 し発電 機 で 発 電 し コ ンデ ンサ ー を充 電 す る。
・ミニ 四駆 に よ る 直 流 発 電 、 交 流 発電 。
・コ ン デ ン サ ー の 電 気 で 発 光 ダ イ オー ドを点 灯 させ る。
変 化 す る もの で あ る こ と、 また 、 さ まざ まな 装 置 や し くみ につ い て 、 エ ネ ル ギ ー 変 換 装 置 とい う と らえ 方 が 可 能 で あ る こ と を知 る 。
コ ンデ ンサ ー 、 ミニ 四 駆 、 ブ ラ ウ ン管 、 ペ ッ トボ トル 、定 規 、
・コ ン デ ン サ ー の 放 電 の モ デ ル実 験 。 水 受け 、発光 ダ イオー
・電 熱 器 に 通 電 して 発 熱 させ る
。 ド、 電 熱 器 、太 陽 電
・太 陽電 池 に 光 を当 て て 発 電 し 、モ ー タ ー を回 す 。 池 、 太 陽 電 池 用 モ ー
・ペ ル テ ィエ 素 子 に 温 度 差 を与 えて 発 電 し 、モ ー タ ー を回 す 。 タ ー、 ペ ル テ イ エ素
・ペ ル テ ィエ 素 子 に 通 電 し、・温 度 差 を生 じさせ る。 子 、 氷 、GM式 放 射
・身近な素材の放射線 を計測 させ る。 ② 課 題 実 験(そ の2)を 行 い 、 お も り を高 く上 げ るほ ど 、 線 計 、 ラ ン タ ン 用 マ
②課題 実験 くその2) または質量の大 きいお もりを上げ るほ ど、発電機 をまわす ン トル 、花 尚 岩 、乾
・手 回 し発 電 機 で 発 電 し 、 プ ー リ ー付 き モ ー タ ー を回 し、 プ ー リ ー でお も り 仕 事 が 増 え る こ と を体 験 す る。 燥 昆 布 、 プ ー リ ー付 を 引 き上 げ る 。 お も りの 質量 を 変 え た り、お も りが な い場 合 につ い て 、手 ③ お も りで 発 電 し、 お も り を引 き上 げ る 実 験 の 観 察 を通 し き モ ー タ ー 、 お も り
回 し発電機 をまわすための仕事の量 を比較 させ る。 て 、エ ネ ルギ ーの 損 失 に気 づ く。 この 損 失 の 原 因 につ い て (注)こ れ ら の実 験 を
③ 演示実験 考 察 し 、摩 擦 熱 や ジ ュ ー ル熱 の 発 生 に伴 う もの で あ る こ と 可 能 な範 囲 で 行 う。
お も りの 位 置 エ ネ ル ギ ー を使 っ て プ ー リ 「付 き 発電 機 で 発電 し、 この 電 気 に気 づ く。 した が って 、 この 損 失 は 、 エ ネ ルギ ー の 消 滅 を ③ プ ー リー付 き発電 で プ ー リー 付 きの モ ー タ ー を回 転 させ 、 お も りを 引 き上 げ る 。 発電 機 側 の お 意 味 す るの で は な く、 熱 エ ネ ルギ ー の 散 逸 に よ って 起 こ る 機 、プ ー リー付 きモー
も りが は じめ に持 っ てい た位 置 エ ネ ル ギ ー と モ ー タ ー側 の お も りが得 た位 置 こ と を理 解 す る。 以 上 の 考 察 を通 して 、 エ ネル ギ ー保 存 則 タ ー 、500g、100g エ ネル ギ ー の 大 き さ を比 較 させ 、 この 違 い に つ い て考 察 させ る。 につ い て 学 ぶ た め の 準 備 をす る 。 お も り io 指 導 項 目:「 生 活 環 境 中 の 現 象 と エ ネル ギ ー の移 り変 わ り」 ① 生 活 環 境 の 中 の 身 近 な現 象 を、 エ ネル ギ ー の 移 り変 わ り プ リ ン ト
分 ① 以下に挙げる生活環境 中の 身近 な現 象につい て、エ ネルギーの移 り変わ りと とい う視 点 で 捕 らえ る 。 い う視 点 で 捕 ら え させ る。
投 げ 上 げ られ た ボ ー ル ・加 速 中の 自転 車 ・定 速 走 行 中 の 自転 車 ・減 速 中の 自 転 車 ・テ レ ビ ・電 子 レ ン ジ に よ る加 熱 ・落雷 ・自動 車 のエ ンジ ン ・バ ッテ リー
の 充 電 ・モ ー ター ・弓で 矢 を飛 ばす ② 食 糧 、 気 象 現 象 に つ い て 、 どの よ うな エ ネ ルギ ーの 変 換
② 次 の こ とが ら につ い て エ ネ ル ギ ー の 移 り変 わ りを考 察 させ る 。 の 過 程 を経 て で きた もの か 考 察 す る 。
・わ れ わ れ の 食 糧(化 学 的 エ ネ ル ギ ー)は 、 ど の よ う なエ ネ ル ギ ー の移 り変 わ りの 結 果 で き た もの か 。
・雨 や 風 は どの よ う なエ ネ ル ギ ー の 変換 過 程 を経 て生 じた も の か 。
15 指 導 項 目:「 発 電 の し くみ と エ ネ ル ギ ー の移 り変 わ り」 ①資料 を参照 しなが ら発電の しくみの慨略 を学習す る。 プ リ ン ト
分 ① 発電の しくみ につい て概略 を説 明する。 ② これ まで に学 習 し た こ と を も と に 、各 発 電 につ い て エ ネ OHPシ ー ト 水力発電、火力 発電 、原子力発電 、太陽 光発電 、風力 発電 など ル ギ ーの 移 り変 わ りを考 察 す る。 さ ら に、 それ ぞ れ の エ ネ
② 各発電 についてエ ネルギーの移 り変わ りを考察させ ると同時 にエネルギーの ル ギ ーの 源 を探 り、 プ リ ン トに記 入 す る。
源 を探 求 させ る。
25 指 導 項 目:r地 球 規 模 の エ ネ ル ギ ー の循 環 」 ① 地球規模 のエネルギーの連鎖 につ いて学習す る。 プ リ ン ト
分 ① 太陽放射 を源 とす る地球 規模 のエ ネルギーの循環 を示 し、エネルギーにつ い ② 学 習 した こ と が ら を も と に カ ー ドゲ ー ム を 行 い 、 エ ネ ル ゲ ー ム カー ド て の グ ロ ーバ ル な視 点 を獲 得 させ る 。 ギ ー の 多様 性 、 発熱 に よ る エ ネ ル ギ ー の散 逸 、 エ ネ ル ギ ー
② カー ドゲ ー ム を通 じて エ ネ ル ギ ー の 多 様性 、 発熱 に よ る エ ネ ル ギ ー の散 逸 、 の移 り変 わ りにつ い て 認識 を深 め る 。 エ ネ ル ギ ーの 移 り変 わ りに つ い て の 理解 を定 着 させ る 。
ア コ ン デ ン サ ー の 放 電 と 電 気 エ ネ ル ギ ー 授 業 の 導 入 で 行 っ た 、 電 池 ・電 解 コ ン デ ン サ ー ・発 光 ダ イ オ ー ドの ミ ニ 実 験 と 電 解 コ ン デ ン サ ー の 分 解 に 加 え 、 コ ン デ ン サ ー の 放 電 現 象 の モ デ ル 実 験 と し て 、 底 に 小 さ な 穴 を 空 け た ペ ッ ト ボ ト ル か ら の 放 水 の 観 察 を 取 り 入 れ た 。 コ ン デ ン サ ー に 蓄 え ら れ た 電 気 エ ネ ル ギ ー は 、 ど の よ う に 減 少 し て い く か 、 ペ ツ トボ ト ル の キ ャ ッ プ は 直 流 回 路 の 何 の 役 目 を す る か 、 放 水 量 と 放 水 時 間 の 関 係 は ど う か 等 を 考 察 さ せ た 。 イ ミ ニ 四 駆 に し た 仕 事 と 電 気 エ ネ ル ギ ー
ミ ニ 四 駆 を 使 っ て 力 学 的 エ ネ ル ギ ー を 電 気 エ ネ ル ギ ー に 変 換 し 、 さ ら に 、 そ の エ ネ ル ギ ー が 光 や 音 の エ ネ ル ギ ー 、 磁 場 の エ ネ ル ギ ー に 移 り 変 わ っ て い く
こ と を 確 か め さ せ た 。 ミ ニ 四 駆 は 手 回 し発 電 機 よ り も 安 価 で あ る 。
2個 の 発 光 ダ イ オ ー ド(LED)の
異 極 同 士 を つ な ぎ 、 そ れ ぞ れ を ミ ニ 四 駆 の モ ー タ ー 側 の 電 極 へ 接 続 す る 。 同 じ 向 き に だ け ミ ニ 四 駆 を 動 か す と き 、 直 流 発 電 に な り順 方 向 のLEDだ け 点 灯 す る 。 ミ ニ 四 駆 を 前 後 に 往 復 さ せ る と き 、 交 流 発 電 に な り順 方 向 と 逆 方 向 のLEDが 交 互 に 点 灯 す る 。
ミ ニ 四 駆 の 速 さ と 起 電 力 は 比 例 関 係 に あ り 、 単 振 動 の 媒 質 の 変 位 と 速 さ の 関 係 も 理 解 し や す い 。 ミ ニ 四 駆 の 出 力 を 中 古 テ レ ビ の ブ ラ ウ ン 管 の 偏 向 コ イ ル へ 直 接 入 力 す る と 、 ミ ニ 四 駆 が 発 電 し た 起 電 力 が ブ ラ ウ ン 管 の 輝 点 の 移 動 で 観 察 で き る 。2台 の ミ ニ 四 駆 を 、 ブ ラ ウ ン 管 の 水 平 と 鉛 直 の 偏 向 コ イ ル に そ れ ぞ れ 入 力 し た り 、 コ ン デ ン サ ー を 直 列 接 続 し た と き の リ サ ー ジ ュ 図 形 か ら 、 位 相 差 の 観 察 も 行 っ た 。
ピ ノ㌧ ド弊
繍 緯 一一
麟議
凶1‑1放 豊 の 士 デ ル 芙 駁隔
静 ㌔ / / 〆 ノ 〆 ' 母︑
k
マ し
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図1‑2ミ ニ 四 駆 と 発 電 機
・ 暴
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駅ーー＼
u1‑3ペ ル テ ィ エ 素 子 な ど
rR
灘蜘
図 璽一4ミ ニ 霞 駆 と ブ ラ ウ ン 管
︑ 娩 羨
ウ ペ ル テ ィ エ 素 子 と 熱 エ ネ ル ギ ー ペ ル テ ィ エ 素 子 と 電 池 を 接 続 す る と 、 ペ ル テ ィ エ 素 子 の 両 面 に 温 度 差 が 生 じ
る 。 電 池 の 正 負 を 反 対 に 接 続 す る と 、 温 度 差 が 生 じ る 向 き も 反 対 に な る 。 生 徒 に 手 で 触 っ て 体 感 さ せ た 。 電 池 の 代
わ り に ミ ニ 四 駆 を 使 っ て も よ い 。 氷 で ペ ル テ ィ エ 素 子 の 両 面 に 温 度 差 を つ く る と 電 気 エ ネ ル ギ ー を 発 生 す る 。 工 波 の エ ネ ル ギ ー の 伝 播 の コ ン ピ ュ ー
タ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
波 動 の エ ネ ル ギ ー が 伝 播 す る 様 子 を 、 水 波 の 干 渉 実 験 に つ い て 数 値 シ ミ ュ レー
シ ョ ン し 、 観 察 し た 。 使 用 し た ア プ リ ケ ー シ ョ ン はMathematica2.2。
Mathematica2.2の カ ー ネ ル を 起 動 さ せ た の ち 、 プ ロ グ ラ ム を エ デ ィ タ ー 上 に 書 き 込 み 、 シ フ トキ ー を 押 し な が ら エ ン タ ー キ ー を 押 す と 、 数 秒 後 に 結 果 が 描 か れ る 。 同 位 相 の 波 源 、 波 源 の 間 隔(∫;10,0と し 、 下 記 の プ ロ グ ラ ム を 実 行 し た と き の 結 果 が 図1‑5で あ る 。 Needs"GraphicsGraphics3D";d:=10.0;
pa[r‑,P‑]ニSqrt[r^2十d^2十2rdCos[P]];
pb[r̲,P̲]ニSgrt[r^2十d^2‑2rdCos[P]];
SphericalPlot3D[;rCos[p],rSin[p], Cos[pa[r,p]]十Cos[pb[r,p]]{,{r,0,30f,
{p,0,2Pi{,Boxed‑)False);
オ 身 近 な 素 材 の 放 射 線 の 計 測
キ ッ トのGM管 式 放 射 線 計 を 組 み 立 て 、 身 近 な 試 料 の 放 射 線 を 計 測 し 、 バ ッ ク グ ラ ン ド(B.G.)と の 比 較 を行 っ た 。
①KCIIOg(90Kが0.012%存 在)
② 乾 燥 コ ン ブ 、 と ろ ろ 昆 布
③ 園 芸 肥 料100g
④ 花 歯 岩(標 本 用)
⑤ ラ ン タ ン 光 源 用 マ ン ト ル
(キ ャ ン プ 用 品 、232Thを 含 む)
図1‑5ペ ル テ ィ エ 素 子 の 実 験 風 景
zo
0
一za
//二 身 』'
〃 弓
森 一一
雛 纈 轍'
鰍 諸..
＼‑藻 等 多 ノ
一20
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濠 蔽 弥 堰 鍛 鱗 噸一1「 ℃
0 20
く熱 ︑ 磁 ジ § ︑ , 覇 ざ , 蕊 ヤ 報 ︑
糞毒書灸﹂r︑︑==こ⊇曽.p一====5雪・一・≦ミ!,≡﹁髪拶擁竃醗.域
総̲̲"̲'み
薄濠 ミ華華㍉髪
一zoozo 慈
図1‑6水 波 の 干 渉 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
籍rr獣・ 、 ㌔ 勘 難
き {
熱 雫
…
、 二 い ,、 又.
移
疑 ∴7
嚢 勧 , 菱 薦
寒轡 鵜豪饗
図1‑7GM管 式 放 射 線 計
カ エ ネ ル ギ ー ・ゲ ー ム 〜 カ ー ド遊 び に よ る エ ネ ル ギ ー の 学 習 の ま と め 〜
図1‑8の よ う な 現 象 カ ー ド と エ ネ ル ギ ー カ ー ド を 使 い 、 カ ー ドゲ ー ム を 通 し て 、 エ ネ ル ギ ー の 多 様 性 、 熱 エ ネ ル ギ ー の 散 逸 、 エ ネ ル ギ ー の 変 換 な ど の 理 解 を ね ら い と し た 。 ル ー ル を 次 の
よ う に 設 定 し て 授 業 実 践 し た 。
① 現 象 カ ー ド を 裏 返 し て 申 央 に 重 ね 、 プ レ ー ヤ ー に エ ネ ル ギ ー カ ー ド を 配 る 。
② プ レ ー ヤ ー は 現 象 カ ー ド を1枚 め く く り 自 分 の 前 に 置 く 。 ③ 場 に 出 た 現 象 カ ー ド に 関 わ る エ ネ ル ギ ー を 手 札 か ら 出 す 。 例 え ば 現 象 カ ー ド が 「電 球 」 な ら 、 「電 気 的 エ ネ ル ギ ー 」 「光 の … 」
「熱 … 」 を1度 に 出 せ る 。
④ 順 番 に ② 、 ③ を 繰 り 返 し 、 手 札 が 無 く な れ ば 上 が り 。
(生 徒 の 感 想)● ル ー ル の 改 善 が 必 要 。
● け っ こ う 考 え た り し て 楽 し め た 。
● 熱 エ ネ ル ギ ー が や け に 多 く て 驚 い た 。
光 の エ ネ1L
ギ ー 太陽電池 電 気的 エネル ギー 電 気 的 エネ
ルギ ー 発光 ダイオー ド
光 のエネル ギ ー 電 気 的 エネ
ル ギー 電球 光 のエネルギ ー
熱 エネル ギー ペル ティエ素 子 による発 電
電 気的 エネ ル ギー 光 の エネル
ギー
太陽熱温水
器 熱 エネ ルギー 図1‑8エ ネ ル ギ ー ・ゲ ー ム の カ ー ドの 例
轄鰐
ゐずぐ
ン 畔 脚 .
.謬メ嚇夢
＼ 5葵 織
・舗 ご
、」覧
樋職 蟹灘 ・ 劇 ・
図1‑9エ ネ ル ギ ー
し
し ・、
一 こ
・ ゲ ー ム の 授 業 風 貴
キ エ ネ ル ギ ー の 理 解 の 自 己 達 成 度 調 査(5段 階 、 で き た ← 一 一 一 → で き な か っ た) 集 計 結 果(有 効 回 答 数261名)
物 理 の 実 験 ・観 察 は 楽 し か っ た エ ネ ル ギ ー に つ い て も っ と 蟻 り た い 友 人 と 相 談 し た エ ネ ル ギ ー の 移 り 変 わ う が 理 解 で き た 自 分 で 考 え な が ら 取 り組 ん だ 器 具 な ど の 操 作 は よ く で き た プ リ ン トは 取 り組 み や す か っ た 実 験 ・観 察 は お も し ろ か っ た 実 験 ・観 察 の 臼 的 が 理 解 で き た 興 味 を 持 っ て 学 習 で き た エ ネ ル ギ ー が 具 体 的 に 理 解 で き た 実 験 ・観 察 に 積 極 的 に 取 り 組 ん だ
(5)お わ り に 表1‑2ア ン ケ ー トの 集 計 結 果
エ ネ ル ギ ー の 手 軽 な 実 験 は 、 エ ネ ル ギ ー 概 念 の 形 成 や 、 エ ネ ル ギ ー の 性 質(多 様 性 、 保 存 性 、 変 化)に つ い て の 指 導 に 効 果 が あ っ た 。 今 回 の 授 業 実 践 の 後 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 保 存 則 の 学 習 で は 、 従 来 よ り も 円 滑 に 進 め る こ と が で き た と い う 実 感 が あ っ た 。 定 性 的 な 実 験 の 活 用 は 、 数 式 に 拒 否 反 応 を 示 す 生 徒 に も 、 正 し い エ ネ ル ギ ー の 概 念 を も た せ る こ と が で き た と 思 わ れ る 。 い わ ゆ る 「エ ネ ル ギ ー 問 題 」 で は 、 エ ネ ル ギ ー と エ ン ト ロ ピ ー と い う 2つ の 観 点 を も つ こ と が 大 切 で あ る 。 今 後 は 、 熱 エ ネ ル ギ ー の 散 逸 に つ い て の 意 識 付 け を 発 展 さ せ て 、 エ ン ト ロ ピ ー を 分 か り や す く 教 え る 方 法 に つ い て も 研 究 し て い き た い 。
2凝 集 剤 を 用 い た 浄 水 方 法 の 再 現 と水 環 境 保 全 の 大 切 さ を理 解 さ せ る 指 導 圏
(1)は じめ に
水 道 水 は 地 下 水 や 河 川 水 を 原 水 と し て い る が 、 大 都 市 で は 水 質 の 悪 化 と 水 需 要 の 高 さ か ら 河 川 水 を 浄 水 場 で 急 速 ろ 過 す る こ と に よ っ て 得 ら れ て い る 。 自 然 の 浄 化 過 程 を 模 し た 緩 速 ろ 過(微 生 物 を 利 用 す る)に 対 し て 、 急 速 ろ 過 は 凝 集 剤 を 加 え る こ と に よ っ て 原 水 中 の 浮 遊 性 物 質 を 沈 殿 除 去 す る 方 法 で あ り、 現 在 は 性 能 の よ い ポ リ塩 化 ア ル ミ ニ ウ ム(PAC) が 凝 集 剤 と し て 用 い ら れ て い る 。 し か し 、 浄 水 場 で も原 水 の 水 質 は 変 動 が 大 き く 、 最 適 な 凝 集 剤 濃 度 を 求 め る た め に 苦 労 して い る 。
我 々 は 、 こ の 浄 水 方 法 で 粘 土 コ ロ イ ドの 凝 集 沈 殿 を 再 現 で き る よ う に 研 究 し 、 水 環 境 に つ い て 興 味 を も た せ る こ と に した 。
ま た 、 凝 集 剤 に よ る 沈 殿 は 基 本 的 に は 浮 遊 性 物 質 を 沈 殿 させ る もの で 、 ア ン モ ニ ア 性 窒 素 や リ ン 、 有 機 物 等 は 除 去 で き な い 。 生 徒 に 興 味 を も た せ る た め に 台 所 用 洗 剤 や し ょ う 油 の よ う な タ ンパ ク 質 を 同 時 に凝 集 沈 殿 さ せ 、 沈 殿 前 後 のCOD(化 学 的 酸 素 要 求 量)を 測 定 す る こ と に よ り、 ど の 程 度 除 去 で き る か を検 証 し た 。
こ れ ら の 実 験 に よ り、 河 川 水 等 の 水 道 原 水 の 水 質 が 直 接 飲 料 水 に 影 響 す る こ と を理 解 さ せ 、 さ ら に は 、 そ の 汚 れ の 原 因 を考 え させ る と と も に 問 題 解 決 の 糸 口 を 生 徒 に 探 らせ た 。
水 の 環 境 問 題 に 対 す る 関 心 は 近 年 非 常 に 高 く 、学 校 教 育 で も理 科 だ け で な く公 民 ・家 庭 ・ 保 健 等 の 授 業 で 取 り上 げ ら れ る よ う に な っ て お り 、 今 回 の 実 験 は そ れ ら 水 環 境 に つ い て 考 え る た め の 導 入 教 材 と して も 利 用 で き る も の で あ る 。
日常 生 活 の 題 材 学 習 意 欲 を 引 き 出 す 活 動 自然や環境 を探 究す る活動
河 川 ・湖 沼 ・地 下 水 ・ コ ロ イ ド の チ ン ダ ル 現 象 を 調 ・浄 水 の 方 法 を 再 現 す る。
浄水場 べ る 。 ・水 の 浄 化 が 原 水 の 水 質 に よ っ
水 道水 ・浄 水 場 で 用 い ら れ て い る 凝 集 て 大 き く影 響 を 受 け る こ と 剤 を 用 い て 凝 析 を 行 う 。 を 理 解 し、 水 環 境 と 私 た ち
・有 機 物 も凝 集 剤 で 除 去 で き る の 生 活 と の か か わ り に つ い か をCODを 指 標 と し て 調 べ て 考 察 す る 。
る 。
(2)実 験 教 材
ア 懸 濁 液 の 作 成 と チ ン ダ ル 現 象
①1eビ ー カ ー の 内 壁 に 陶 芸 用 粘 土5mm角(約0.4g)を 貼 り 付 け 、 炭 酸 カ ル シ ウ ム0.4g を 入 れ 、 純 水12を 加 え て ガ ラ ス 棒 で よ く 溶 か す 。 し ば ら く 静 置 し 、 上 部 の 沈 殿 し な い 部 分 を500㎡ ビ ー カ ー に 移 し 、 増 水 時 の 河 川 を 想 定 し た 懸 濁 水 と す る(図2‑1)。
※ 純 水 の 代 わ り に 水 道 水 を 用 い る 場 合 は 炭 酸 カ ル シ ウ ム は 加 え な く て よ い 。
② 上 記 の 懸 濁 液 や 、 純 水 、 あ る い は 水 酸 化 鉄(皿)コ ロ イ ド溶 液 に レ ー ザ ー 光 を 当 て て 、 チ ン ダ ル 現 象 の 様 子 を 観 察 す る(図2‑2)。
図2‑1懸 濁 水 図2‑2純 水 一 懸 濁 水 図2‑3フ ロ ッ ク 沈 殿 図2‑4沈 殿 後
図2‑5懸 濁 水+し ょ う 油 のCOD図2‑6懸 濁 水+し ょ う 油 沈 殿 後 のCOD イ 凝 集 剤 に よ る 凝 析 の 観 察
① ポ リ 塩 化 ア ル ミ ニ ウ ム(PAC)10%の 原 液 を ホ ー ル ピ ペ ッ ト で5㎡ と り 、100m2メ ス フ ラ ス コ に 入 れ 、 純 水 を 加 え て20倍 希 釈 の 溶 液 を つ く る 。 こ の 溶 液 は で き る だ け 新 し い も の を 用 い る よ う に す る 。
※PACは 、 ア ル ミ ニ ウ ム イ オ ン に ア ル カ リ を 加 え て 水 酸 化 ア ル ミ ニ ウ ム の 沈 殿 を 作 ら せ 、 ポ リ マ ー 化 さ せ た も の で あ る 。pH6.5〜7付 近 で は カ チ オ ン 凝 集 剤 と し て 威 力 を 発 揮 し 、 新 鮮 な ポ リ マ ー は 多 く の 物 質 を 吸 着 す る 活 性 が 高 い 。 水 質 に も よ る がPACは 原 液 に 対 し て 通 常20〜100ppm程 度 使 用 す る 。 そ の 添 加 量 は ビ ー カ ー で 試 験 し な け れ ば な ら な い が 、 季 節 に よ っ て 河 川 の 水 質 は 異 な る か ら 、 浄 水 場 で は そ の 都 度 試 験 し て 最 適 値 を 求 め て い る 。
② ア ① の 懸 濁 水 に 上 記 のPACを0.7〜1.0㎡ 加 え 、 ガ ラ ス 棒 で 均 一 に な る よ う に 、 約2 分 間 よ く か き 混 ぜ る 。 そ の 後 ゆ っ く り1分 問 ほ ど か く は ん を 続 け 、 沈 殿 の 沈 降 状 態 を 観 察 す る(図2‑3)。
③ 凝 集 沈 殿 し た ら 、 そ の 上 澄 み に レ ー ザ ー 光 を 当 て て 、 チ ン ダ ル 現 象 の 様 子 を 観 察 す る (図2‑4)。
ウ 汚 れ の 指 標 と して のCOD
① 本 来 、COD(化 学 的 酸 素 要 求 量:水 の 中 の 有 機 物 を 過 マ ン ガ ン酸 カ リ ウ ム な ど の 酸 化 剤 で 酸 化 し 、 そ の 酸 化 に 要 し た 量 を 酸 素 の 量 で 表 し た も の 、mg/2)は 過 マ ン ガ ン 酸 カ リ ウ ム を 使 用 し て 測 定 す る も の で あ る が 、 授 業 時 間 の 中 で は 時 間 的 に 無 理 が あ る の で 、 市 販 の 簡 易 水 質 検 査 器(パ ッ ク テ ス ト)を 使 用 す る 。
② い ろ い ろ な 水(純 水 、 ミ ネ ラ ル ウ ォ ー タ ー 、 水 道 水 、 河 川 水 、 水 槽 の 水 な ど)に つ い てCODを 測 定 す る 。
浄 水 の し く み ・一 コ ロイ ドの凝 集沈殿 と有掩 物
【目的1・コロイ ドにっいて理解 する とともに、浄水方法 である、凝集剤PAC(3° リ塩化nミニウム) による凝錐沈殿(コ ロイ ドの膜析 》を再現する。
・凝集沈殿で、有機物の 除去がで きるかとうかを検証 する。
・これらの実験 を過 して、飲料水の 元である水遵原永 の水質 悪化について 考察を深め る。
※CODS定 に ついては、過マ ンガン酸カ リウムを用い たものは時間的 に無理があ る ので、市販のn'y??zFを用 いるこ とに したg
腰 副・懸 濁水のチン9'6現象を とらえることによ り、 コロイ ド粒 子を礫認 する
・懸 爵水十 しょう油+洗 網の溶液 を凝 集剤で沈殿 させ、 有機物 の量に変化 があるか どうか をみる◎
【準i1ヒ ・‑e、fzシ リンダ ㌦wr一 発 生 装 置 、 メ ス ピ ベ ッ ト
1(水 道 水1嚇 隔 に 陶 芸 用 粘 土5mm角(約{,..g)と 炭 酸 珈 シウム0」gを よ く
・しよう油(10借 に薄 めたもの)成)
・台所用 洗剤(20倍 に薄め たもの}
・生物室 の水櫓の水(2倍 に薄めたもの)
【実験操作 。方法1
[実験】・。・コロイ ド粒子の確認、懸 濁物質の除去 、有機物 も除 去で きるか aグ ルー プ
①試鮮溶液1の 上澄み澄50D回 をピーかに取 り、10倍 に薄めた しよう曲を3滴 と薄めた台 所用洗 剤1滴 を加 えて 、それにL一ザー光線 をあ てて、チンタ塙現象 を観察す る。純 水や、水 醸化鉄(皿)コ ロ イ ド溶液とも比鮫 してみ る。
② 上の溶濃 にっいて、簡 鶏水質検査器(バ リ労スト、価 漫度 用)を 使用 して00Dを 測定 す る。
② そのra一 にポ リ塩nnミ ニ弘̀PAC)̀105の 頂液 を20倍 に薄め たもの)を1価 加 え.
ガ弧棒 で均一にな るように約2分 閥 よくかき混ぜ る。 その後 ゆっ くり1分 闘 ほと携梓 を 続 け、沈殿の沈 降状態 を観 察す る.し ばら くして、沈殿 した ら、その上澄 みにレ→㌧ を 当てて、チンダ5現 象を観察 する。また、 上澄み液 のCODを 検査器(低 濃度用)を 使用 して測 定する.
Bグ ル ープ
①試料溶液1の 上澄み液401㎞ をr・‑e一に取 り、2倍 に薄めた水櫓の 水m醐 を加え、そ れ に4一ザ ー光線 をあてて、3ン9鳩環象 を観察す る。純水 や、水酸化 鉄(m)コ ロイ ド溶液
とも比 較 してみる.
② 上の溶液 にっいて、簡 易水質検査 器(n・,+iテx卜、高低x度 用)を 使 用 してeODを 測定 する
③そのヒ㌔かにPACpozの 原液 を20借 に薄めた もの)をLO副 加え、b'i]Mで 均一 に なるように約2分 闘 よ くかき混ぜ るgそ の後ゆ っく り1分 閥 ほど撹拝を続 け、沈殿の沈 降状懇 を観察す る.し ぽ らくして、沈 殿 した ら、 その上澄み にレーザーを当てて、379'M現 象 を観 察する.ま た、 上澄み液の00Dを 検 査雅(高 濃度 用)を 使 用 して測定す る。
[憤示実験 ユ・。。 燕留水 には なにも含 まれて いない
・薫留zkを きれいなピー炉 に取 り》簡 易水質検査 麗(低 濃度用〉 を使用 して..を 測 定 する.
・水道 水のCODを 検 査器(低 瀧度用}で 同様に測定 する。
【観 察 ・記鍛】
[実験]
(ア)コ ロイ ド粒子の存在す るところに光を当てた とき、光の通路は とうなっ たか。
(チンタ∂彫現 象)
{イ}(粘土+し ょう油+洗 剤)溶 液または(粘 土+水 そ う水)のCOD
(ウ}擬集剤(ポ リ塩化珊 ミニウム)を加えて撹梓後の 溶液の様 子
(1}〔帖 土+し ょう油+洗 剤)溶 液または(粘 土+水 そ う水)の 擬集沈殿後 におけ る チンダ廉現 象の観察
(t)(粘 土十 しょう油 十洗剤
[墳示実験]
蒸留水のCOD
【結 果 ・考察】
・チ汐塙現象は とう して起 こるのか
[㎎11】
[mom]
(資料2‑1)A高 校 で の実 験 プ リン ト
考 察 の プ リ ン ト
1.な ぜ懸濁水 中では 、チ ンダル現 象が観察 され るのか。 図示 して説明 しなさい。
レーザー光線
説 明:
z,ポ リ塩化 アル ミニ ウム を投入後、 コロイ ド粒子 はど うなった か.
3.ポ リ塩化アル ミニ ウムを投 入後、CODは 約何%減 少 したか.
4.凝 析 とはな にか。
醐 繁
(雨3)
輯1}
殴
噸
萎
6.図2は 、東京郁 の浄水 場の場 所を表 した もの である。 自宅の水 が とこの浄水場 で作 ら れ ているか 調べ よ。
7.
自宅→
区 市
浄水u名 →よ.
8.次 の表Aは 、家庭 の台所 か ら流 される汚水 の種類 を、表Bは それ らの汚水 を、水 で う すめて魚 がすめ る水質 にするた めに必 要な水の 量を風 呂桶に換 算 して 示 して いる。
B u杯 分
4.7杯 分 330 .不分 4 .不分 to
3.、鵠
9・河 川の水 はと うして汚れ て きた のか.ま た河川水 を きれ いにす るには とう した らよい か
10.水 道水 をお い しく飲 むには との ように したらよいか.
1醐 覗
…コ=鴨㍗
.1程
酔 '「灘 腰1
1臨 瀞 墾 誌 鄭 臨 冨蜜 拶駈
u.感 想
5農 犠 壽i難 耀 識 講 野 れを表したもの聯 ・この図を見て考えた
一
(資料2‑2)B高 校 での 実 験 プ リ ン ト
工 凝 集 剤 に よ る 有 機 物 の 除 去
① 懸 濁 水 のCODを 測 定 す る(純 水 か ら つ く っ た 懸 濁 液 のCODは0で あ る)。
② し ょ う 油(10倍 希 釈0.1【虎)や 台 所 用 洗 剤(20倍 希 釈0.1mの を 加 え た 各 懸 濁 水 、 ま た 、 懸 濁 水450m2に 水 槽 の 水50m2を 加 え た 溶 液 のCOD等 も 測 定 す る(図2‑5)。
③ 上 記 の 各 溶 液 をPACで 凝 集 沈 殿 さ せ た 後 、CODを 測 定 し 、 沈 殿 前 と 比 較 す る(図 2‑6)0
(3)評 価 方 法
評 価 は 実 験 プ リ ン ト や 考 察 の プ リ ン ト を 使 用 し た(資 料2‑1、 資 料2‑2)。
(4)結 果 と 考 察 ア 実 験 結 果 と考 察
① 粘 土 コ ロ イ ド粒 子 に よ る チ ン ダ ル 現 象 の 観 察
」7'JRにコ ロ イ ド溶 液 の 教 材 と し て は 水 酸 化 鉄(皿)コ ロ イ ドが よ く用 い ら れ る
。 こ こ で は よ り 身 近 な 教 材 と し て 、 河 川 の 懸 濁 水 を 想 定 した 粘 土 コ ロ イ ド水 溶 液 を 用 い る こ と に よ り、 自 然 や 環 境 へ の 興 味 ・関 心 を 高 め さ せ た 。 実 際 、 微 量 の 粘 土 を 分 散 質 と した 水 溶 液 に レ ー ザ ー 光 を 当 て る と 、 明 瞭 に 光 の 通 路 が 見 え 、 チ ン ダ ル 現 象 が 観 察 さ れ た 。 水 酸 化 鉄(m)に 比 べ コ ロ イ ド粒 子 が 大 きい た め 、 き ら き ら と 輝 き 、 生 徒 に 強 く印 象 づ け
る こ と が で き た 。
② 凝 集 剤PACに よ る 凝 析 の 観 察
ポ リ塩 化 ア ル ミ ニ ウ ム(PAC)を 粘 土 コ ロ イ ド水 溶 液 に加 え 、 溶 液 全 体 に 分 散 す る よ う に か く は ん す る と コ ロ イ ド粒 子 が 次 第 に 大 き い 粒 子 と な っ て い く。 ゆ っ く り と か く は ん を 続 け る と粒 子 は もや もや し た 綿 状 の 浮 遊 物 質(フ ロ ッ ク)と な る 。 か く は ん を 止 め 静 置 す る と 、 沈 降 し、 凝 集 沈 殿 と な る 。 透 明 な 上 澄 み 液 は 多 少 の 粒 子 が 浮 遊 し て い る も の の 、 チ ン ダ ル 現 象 か ら 、 そ の 数 が 極 端 に 減 っ た こ と が 分 か る 。 生 徒 は 実 際 に 浄 水 場 で 行 っ て い る操 作 と 同 様 の こ と を 行 い 、 濁 水 の 浄 化 さ れ な け れ ば な ら な い 問 題 が ど の よ う に 解 決 さ れ て い る の か 、 身 を も っ て 体 験 す る こ と が で き た 。 ま た 濁 水 か ら フ ロ ッ ク が 出 現 す る の を 見 て 、 驚 き を 感 じて い た 。 凝 析 理 論 に つ い て も理 解 を深 め る こ とが で きた 。
③ 汚 れ の 指 標 と して のCOD
浄 水 の 実 験 と 並 行 し、 他 の 身 近 な水 に つ い てCODを 測 定 す る こ と に よ り、CODが 汚 れ の 目 安 に な っ て い る こ と を 理 解 で き る(表2‑1)。
(表2‑1)C高 校 で のCOD平 均 測 定 結 果
水 の種 類 純 水 ミ ネ ラ ル ウ ォ ー ター 水 道 水 河 川 水
icOD(・g/の1 0 「
1 2 10
i
④ 凝 集 剤 に よ る 有 機 物 の 除 去
凝 集 沈 殿 に よ るCODの 減 少 率 は0〜60%で あ っ た 。 幅 の 広 い デ ー タ で あ る が 、 パ ッ ク テ ス ト が 簡 易 的 な 比 色 法 で あ る こ と 、 し ょ う 油 や 洗 剤 の 種 類 、 滴 下 量 、 水 温 、 か く は ん 条 件 な ど に よ る も の と 考 え ら れ る 。 い ず れ に し て もCODが 増 え る こ と は な か っ た 。
