| 物体を落下させたとき，「より重い物体（密度が高い物体）の方が早く地面に落ちる」ということを，私たちは日常経験の中で理解しています。勿論，多くの人は空気抵抗がその原因になっていることを知っているのですが，実際に真空中で物体がどのように落下するかを自分の目で確かめるという経験をした人は少ないのではないでしょうか？ 細長いガラスの管に，金属片・紙片・鳥の羽根を入れて，管の中に空気が入っている場合と，真空ポンプを使って管の中の空気を抜いた場合で，物体が落下する様子を撮影してみましたので，ご覧ください。（真空ポンプを使っても，管の中は高真空にははっていないこと，管の内壁との接触による摩擦力によって，落下の仕方に若干の違いがある点はご了承下さい。） |
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| 落下運動の実験は現象が一瞬で終わってしまうため，演示実験を行っても感覚的な印象しか残らないことが多いように思います。放物運動の授業を行う際，私は演示実験と自作のシミュレーションソフトを併用していましたが，実写のビデオデータを使って運動を解析するプロセスが必要であると感じるようになり，今回のビデオ撮影に至りました。 既成の同時落下実験器を使って，自由落下をする物体と水平投射をする物体の運動状態を撮影しました。市販のままで利用すると，わずかですが動き始めにタイミングのずれが生じましたので，ボールをたたくハンマー部に両面テープでスペーサーを貼り付け，動き始めるタイミングを調節しました。 なお，撮影時ビデオのシャッタースピードは1/250に設定しています。 |
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| 装置を製作した初期の頃は，20mm径の塩ビパイプを使って，大型の空気入れを送風機代わりにしてコルク栓の弾を発射させて，２物体の空中衝突の実験をおこなっていました。しかし，威力に乏しく，何度か試行を繰り返すだけで息が上がってしまうという致命的な欠点がありました。 ある日，岐阜県立山県高等学校の村田憲治先生のレポートを（URL http://physics.atnifty.com/）ネット検索で見つけ，ブロワーとベルヌーイの原理を利用した発射システムのアイデアを利用させて頂いて装置を作り直しました。すると，驚く程正確に発射できるようになりました。加えて，ブロワーを使うようになってからは，照準が合うと風が標的に当たって揺れるので，照準器を付けなくても正確に標的を狙うことができるようになりました。 弾にはスポンジ製のゴルフの試打球を使用し，電磁石のスイッチには電子パーツ店で購入した光センサー･キットを使用しています。初速度が小さい場合と大きい場合の２種類の映像を用意しました。 ホームセンターで安価に購入（\2,500-程度）したブロワーには３段階しか出力調節がありませんので，予め“最強”にセットしておいて変圧器で出力調節をするようにしています。
上の画像をクリックすると，関連する「動く概念図」のプログラムが起動します。 |
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| 力のつり合いを扱う問題の中に，「板に乗った人が，板に取り付けたロープを定滑車を介して引く」という設定の問題がよく見かけられますが，この問題に取り組むときには，必ずといって良い程「本当に持ち上がるの？」という疑問が生徒から寄せられます。 そのようなときは，つり合いの式を使って丁寧に説明し，結論と直観との間の隔たりを埋めようと努力するのですが，「理屈では分かったが，でも納得できない・・・」と，なかなか腑に落ちる形では納得してくれません。 「それでは，実際に作って試してみよう｜」ということで生徒机の天板と滑車，ロープを使って装置を作ってみました。実際に装置を使って体験してみるまでは，２の「他人にロープを引いてもらう場合」と，３の「自分自身でロープを引く場合」との違いに気づかない生徒が多く，「試してみて始めて違いが分かった」と大好評でした。 なお，撮影に際しては，板を支える力を計るために体重計を利用し，ロープの張力を計るために背筋力計をそれぞれ利用しました。 （背筋力計は張力が最大値に達したところで指針が止まるような構造になっているのですが，複数回引っ張ると，その度に加わった力の分だけ指針の示す値が増えてしまうため，測定中の加重変動で，指針が示す値は理論から得られる最大値より大きい値を示してしまう傾向がありました。また，準静的変化になるように注意を払いましたが，若干の加速度が生じていることも原因の一つと考えられると思います。） |
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私が撮影に使用しているビデオカメラは，SONY製のハンディカムHDR-HC3という機種ですが，この機種には「なめらかスロー録画」と呼ばれる240フィールド毎秒（120フレーム毎秒）という通常の４倍のスピードで撮影する機能が備わっています。 |
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| ピンポン球を床に落としたときにどのような軌跡を描いて運動するのかを撮影してみました。 １回目の跳ね返りで到達した最高点の高さと，２回目の跳ね返りで到達した最高点の高さを比較することによって，ピンポン球と床との間の反発係数を求めてみて下さい。 |
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| 力を加えて物体を動かすとき，力の加え方によって物体の動き方にどのような違いが生じるかを確かめるために撮影をしてみました。 左の画面の白い長方形の板は，旅館のゲームコーナーでよく見かけた「エアホッケー」のように，15mm間隔であけた小さい穴から空気が吹き様になっていて，上に物体を置くと，物体は薄い空気の膜の上に乗って，摩擦の影響を受けずに運動できるようになっています。なお，物体として使用したものは，実験室に転がっていた生徒机の天板の切れ端です。 |
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| 衝突球を使って衝突の実験を行うと，摩擦や回転による影響が大きく，良い精度で運動量保存の法則の検証を行うことができませんでした。 そこで，生徒机の天板２枚と，ホームセンターで安価に入手できるコンパネ（合板）やＳＰＦ材を使って，旅館のゲームコーナーでよく見かけた「エアホッケー」のような装置を作成し，衝突実験に使用しました。アクリル板をくり抜いて作った円板を衝突させる物体として使用し，小穴から噴き出す空気の膜に乗って円板が滑らかに動くようになっています。 滑走面が完全な平面ではない点や，空気が穴から吹き出す向きが多少不揃いになっている点，衝突の際に円板が若干回転する点などの影響が認められますが，かなり良い精度で運動量保存の法則が成立していることが検証できます。 通常の実験室系の映像の他に，重心の動きにあわせて画像をスライドさせ，重心系で観測した場合を想定した映像も用意してみました。衝突させる２物体の質量が等しいので，それぞれの物体が重心に対して対称な運動をしていることが確認できると思います。実験室系での映像と対比させてご覧下いただきたいと思います。 |
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「実写映像を使って，等速円運動と単振動の関連性を確認するような教材を作りたい」とか「教科書のグラビアページに載っているような単振動のストロボ写真を動画で見せたい」という思いが，以前から私の中にありました。 １．等速円運動と単振動の関係について ２．単振動のストロボ映像について ３．等速円運動と単振動のストロボ映像の合成について
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単振り子の運動を単振動に関連づけるときには，近似という手続きが介在するため，生徒にとっては理論的な整合性が得にくい現象であるように見受けられます。また，単振り子に関する説明にあまり多くの時間を掛けるということができないという事情もあり，この分野を教えるときにはいつも不完全燃焼のままに終わってしまっていました。 ＜注＞ １．の映像について ２．の映像について ３．の映像について ４．の映像について |
