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＜電荷表示版＞ ＜一般的な解釈版＞ |
私が所属している大阪府高等学校理化教育研究会・物理研究委員会・実験部会の例会の席で，メンバーである森脇 豊先生（現在は教職から引退）から次のようなことを教えて頂きました。 「はく検電器の頭部に帯電体を近付け，頭部に指を触れることによってはく検電器に帯電体と異種の電荷を帯電させる過程は，一般的には図１のように解釈されているが，一連の操作の過程をじっくりと観察してみると，図１のように，指に静電誘導が起きる影響が絡んでいて，意外に複雑な変化をする。また，図２の  と のはくの開き方の比較からから推測すると，図２の の段階で，指から検電気の頭部に過剰に電荷が乗り移っていると考えられる。」そこで，真偽の程を確かめて見るべく実験を行ってみましたので，映像を覧頂いて皆さんに判断を委ねたいと思います。 【実験に使用したもの】 はく検電器，エボナイト棒，毛皮，ガラス棒，絹布
図１．一般的な解釈 TOPへ↑
図２．今回の実験による解釈 |
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２つのはく検電器に
異種等量の電荷を 帯電させる ＜電荷非表示版＞ ＜電荷表示版＞ |
電気分野における授業の導入段階で，必ず利用するのがはく検電器です。しかし，はく検電器の構造と機能に関してはわりと簡単に理解してくれるのですが，見えないものを相手にするだけに，電荷がどのように帯電しているのかを理解させるには，結構な時間を要してしまいます。 そこで，ビデオ撮影した映像に字幕を入れて，帯電体を近付けたり遠ざけたりしたときの各過程で，はく検電器の頭部やはくの部分に電荷がどのように帯電しているのかを確認できるように工夫してみました。 この項目でご紹介する実験は，２つのはく検電器を使って，それぞれのはく検電器に等量で異種の電荷を帯電させる実験です。同種の電気は互いに反発し合い，異種の電気は互いに退け合うという電気の持つ基本的な性質を確認する実験として最適な実験であると考えています。 字幕非表示版をご覧になって電荷分布を考察した後，字幕表示版で確認をしてみて下さい。 【実験に使用したもの】 【実験の手順】 |
| 上記の実験を撮影している最中に「２つのはく検電器の間にもう１つはく検電器を置いて，同じ操作をしたらどうなるか？」という疑問がふと生じました。（因みに私は，中央の検電器には変化が生じることはないだろうと考えていました。） それを確かめるべく実験をしてみると，中央のはく検電器には想像した以上に興味深い変化が起こりました。見る前にような変化が起こるかを考えてみて下さい。 なお，検電器の頭部から針金を引き離すために，針金にゴムひもを取り付けて実験を行いましたが，誘電分極による影響が認められましたので，ゴムひもの代わりに絹糸を用いた方が賢明であると感じました。 |
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糸の動きで見る
電界の様子  ↑クリックすると関連する 映像を再生します。 |
ヴァン・デ・グラーフ型起電機と呼ばれる高電圧の静電気発生装置を使うと、比較的簡単に色々な静電気の実験ができます。最も簡単な実験がこの項目で紹介する実験です。 料理を作るときに使う金属製のボールにセロテープで糸を貼り付け、それを起電器の電極にかぶせただけものですが、これで大きい電極（＋極）のまわりの電界（電場）の様子を糸の状態から知ることができます。 小さい金属球を大きい金属球に接触させると、静電気がなくなりますので、そのときの糸の動きに注目して下さい。 この映像は、本校の長屋憲明先生から自作の器具と実験のノウハウの提供を得て作成しました。 |
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同種の電気の反発
 ↑クリックすると関連する 映像を再生します。 |
「異なる種類の電気同士の間には引力が発生する」ということは、擦った下敷きで髪の毛を引きつける例で、皆さんにはお馴染みだと思いますが、では「同じ種類の電気の間には反発力が発生する」ということを確かめる事例についてはどうでしょうか？ ヴァン・デ・グラーフ型起電機の大きい電極（＋極）に、アルミ板で作った円錐形の帽子をかぶせ、そこにアルミ箔をリング状に切り抜いたものを載せておいて静電気を発生させると、電極に発生した静電気がアルミ箔の輪に乗り移って・・・。 結果は映像の方でご確認下さい。 参考文献：後藤道夫・岸野安彦・馬目秀夫著 |
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静電気で風を起こす
［尖端放電(コロナ放電)に ともなっておこる電気風］  ↑クリックすると関連する 映像を再生します。 |
なぜ避雷針は先端の尖った棒状のものばかりなのでしょうか？きっと意味があるはずです。 実は静電気には「尖ったところに集まりやすく、凹んだところには集まりにくい」という性質があります。これは「同じ種類の電気の間には反発力が発生する」ということと少なからず関係しているのですが、言葉で説明すると少し長くなってしまいます。 そこで、尖ったところと、それ以外ところで目立った違いがあることを、ろうそくの炎を使って簡単に確かめる実験をしてみました。もし、アルミ箔で作った突起のところに静電気が多くたまっているとすれば次のような現象が起こると予測されます。 近くにある粒子（気体分子など）が「誘電分極（静電気によって電子軌道に偏ろが生じ、電極に近い側には異種の電気、遠い側には同種の電気が現れる現象）」と呼ばれる現象が起こり、静電気力によって電極に引き寄せられていきます。しかし、電極に接触すると、溜まった電気が粒子に乗り移り、同種の電気の間に生まれる反発力によって跳ね飛ばされるという現象が起こるはずです。 実際に、電極付近にこのような現象が起こっているのであれば、跳ね飛ばされた粒子の流れが風となって、炎を揺らせるはずです。是非、映像で確かめてみて下さい。（因みに、尖ったところに電気が集まって起きる放電を「尖端放電（コロナ放電）」といい、放電に伴って起きる風を「電気風」といいます。） この映像は、本校の長屋憲明先生から自作の器具と実験のノウハウの提供を得て作成しました。 |
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静電気で物体を
回転させる ［尖端放電(コロナ放電)に ともなっておこる電気風］  ↑クリックすると関連する 映像を再生します。 |
左の写真に写っている風車状のものは、「ハミルトンの電気回転車」と呼ばれているもので、静電気が溜まると上の項目で説明したように、先端の尖ったところで起こる「尖端放電（コロナ放電）」によって「電気風」と呼ばれるが風が発生します。 風は、電極の先端で跳ね飛ばされた気体分子の流れですが、電極は気体分子を跳ね飛ばす際に、気体分子が受ける力の向きと逆向きに、反作用として力を受けます。この反作用としての力が実際に発生しているとすれば、風車状のものには、いったいどのような変化が起こるでしょうか？そこに注目して映像をご覧下さい。 参考文献：後藤道夫・岸野安彦・馬目秀夫著 理科実験指導シリーズ 物理 P.82 講談社サイエンティフィック この映像は、本校の長屋憲明先生から自作の器具と実験のノウハウの提供を得て作成しました。 |
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電気振り子の実験
 ↑クリックすると関連する 映像を再生します。 |
この項目では、金属面が露出するように側面の一部を紙ヤスリで磨いた２つの空き缶を置き、絹糸で画鋲をつるしたストローを空き缶の間に渡しただけの簡単な装置を使った実験をご紹介いたします。 静電気が発生している物体（これを帯電体といいます）の近くに、金属片を近づけると、「静電誘導（静電気によって金属内部の自由電子が移動し、電気的な偏りが生じる現象）」と呼ばれる現象が起こります。静電誘導が起きると、帯電体との間に発生する引力がによって、金属片は帯電体に引き寄せられます。そして・・・ その後の現象については映像でご確認頂きたいと思います。 この映像は、本校の長屋憲明先生から自作の器具と実験のノウハウの提供を得て作成しました。 |
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静電気で蛍光灯
を光らせる  ↑クリックすると関連する 映像を再生します。 |
自動車から降りる際や、化学繊維でできた衣類を脱ぐときに発生する静電気は数千ボルトと言われています。非常に電位差が大きいにもかかわらず、放電の際に流れる電流の強さが非常に弱いため、大きなダメージには至りません。（与える影響が大きいのはむしろ電流の方で、体に1アンペアの電流が流れれば、確実に生命が危険にさらされることになるでしょう。） 実験映像で使用しているヴァン・デ・グラーフ型起電機は、理想的な条件のもとで30000ボルト〜50000ボルトの電位差を発生させると言われています。しかし、多少のショックを覚悟しさえすれば、素手でさわっても命に関わるようなことにはなりません。ということで、（ショックを覚悟しながら）蛍光灯を点灯させることに挑戦しました 蛍光灯に明かりを点すには、両端にある電極間に放電を起こさせる必要があります。例えば100V用40Wの蛍光灯の場合、点灯させるには300V程度の電圧が必要だそうです。蛍光灯の光り方から、電流があまり強くないことを確かめて頂けると思います。 |
| 電流計の分流器や電圧計の倍率器のはたらきについては，教科書などで紹介されています。しかし，実物の中身を見て，分流器や倍率器がどのように接続され，どのように機能しているかをすぐに理解できる人はそう多くはないのではないでしょうか？ 中学や高校用に販売されている電流計・電圧計の多くは，裏側から内部の構造が見えるようになっています。表側と裏側の両方を，同時に見ることができるようにしましたのでどうぞご覧ください。 冒頭にも書きましたが，電流計の裏側は，一見シンプルに見えます。端子間につながれている分流器がどのように機能するかを理解するのは少々骨が折れます。じっくりと眺めて考えてみてください。 １． ２． ３． ４． |
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| この項目でご紹介する実験は，今回ご紹介する実験の基本的な手法は，大阪府高等学校理化教育研究会・物理実験部会での研究活動中に，大阪府教育センターの脇島 修先生から教えて頂きました。折しも２００５年２月に実施された東京大学前期入試問題の第２問で同様の話題が取り上げられていますので，内容の確認にご利用下さい。 ネオジム磁石・乾電池・鉄製のくぎ・導線。たったこれだけで，簡単にフレミングの左手の法則を検証することができるという非常にシンプルな演示実験ですので，ぜひご自身で試して頂きたいと思います。 ＜１：導入実験＞ このビデオは，取り敢えず手元にあった材料を使って撮影したものです。「かなり消耗した」状態の乾電池を使いましたので，ネオジム磁石はあまり勢いよく回転しませんでした。今回は比較的大きい径のネオジム磁石（30φ×5mm）が手元にありましたのでそれを使いましたが，表面にメッキを施したものであれば，径が小さくても十分利用できますので是非お試し下さい。（フェライト磁石をアルミ箔で包んだものでも，今回の映像と同程度に回転するはずです。） ＜２：電流の強さと回転のしかたの関係＞ このビデオは，新品の電池を使って実験をしたときの映像です。電池と導線の間に可変抵抗器を接続し，抵抗値を変えることによって，電流の強さと磁石が回転する様子の間にどのような関係があるかを確認できるようにしました。新品の電池を使うと磁石はかなり激しく回転しますので，釘を磁石につける際には，偏心しないように気をつける必要があります。（偏心していると，振動で電池から釘が離れやすくなるだけでなく，導線と磁石の接触状態を良好な状態に保つことができません。） 今回の実験では，導線と磁石の間の接触状態を安定に保つことが難しかったため，あまりはっきりとしたことは言えませんが，約2.4Ａの電流が流れているときのように，磁石が速く回転する場合には，流れる電流の値が回転数の上昇に伴って次第に小さくなることが確認できるように思えました。 |
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| 大阪市立大学大学院 理学研究科 超低温物理学研究室教授の畑 徹先生を２００３年９月に本校（学校法人清風学園）にお招きして開催しました出張講演の記録映像です。 当日，畑先生は「絶対零度への挑戦」というテーマで数多くの興味深い話題を提供して下さいました。畑先生からのお許しを得て，講演会の中で見せて下さった演示実験の記録映像を公開できるようになりましたのでご紹介いたします。 高温超伝導体は，液体窒素の沸点（-195.8℃）よりも高い温度で超伝導状態になるため，磁石を近づけると「マイスナー効果」と呼ばれる超伝導に特有の現象を見ることができます。 |
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| ネオジム磁石を使って、比較的手軽にできる電磁誘導の演示実験の様子を撮影しました。ファラデーの法則については、検流計やオシロスコープなどを使って定量的な分析ができますが、レンツの法則に関しては、具体的な現象を通して実感するのが一番良いと考え、できるだけ身近にある素材を使って生徒に見せるように心掛けています。
１．手品でもおなじみの磁石と金属パイプを使った実験です。外径15mmのアルミ，銅，真鍮のパイプを近くのホームセンターで購入し、長さ500mmに切り揃えて使用しました。使用した磁石のサイズは10φ×5mmのものを２個くっつけて使用しました。 ２．１の金属パイプを使った演示実験では、磁石が落ちる様子を真上からしか観察できません。そこで、アルミニウム板を２枚使用して、平行に置いた板の隙間（6mmの間隔）に落とし、真横から落ちる様子を見ることができるようにしました。 ３．１、２は、金属の近くで磁石を動かす実験でしたが、今度は磁石の近くで金属を動かしてみることにしました。 |
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| 比電荷の測定装置（島津製EM30）と電源装置を使って，電子中から射出された電子が磁界中でローレンツ力の影響を受けて運動する様子を撮影しました。実際の現象を見せずに授業でローレンツ力に関する説明をしていた頃は，生徒の理解は「そのような力が理論上考えられる」という程度にとどまっていましたが，今回ビデオに収録したような現象を目の前で見せるようになってからは，生徒の関心の持ち方が大きく変わりました。演示実験で見せている内容をご紹介したいと思います。
１． ２． ３． |
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| ある閉回路を貫く磁束に変化があるとき，閉隘路に起電力が発生して電流が流れる現象を「電磁誘導」といいます。この項目では，電磁誘導に関連する基本的な現象が確認できるような映像を幾つかご紹介します。 １８３１年にファラデーが発見したこの現象には，次のような性質があります。 『起電力（電磁誘導によって発生する起電力）の向きは，起電力の発生に伴って閉会路に流れる電流（これを誘導電流といいます）が閉会路を貫く磁束の変化を妨げるような向きに発生し，また，起電力の大きさは，閉会路を貫く磁束の単位時間当たりの変化の大きさに比例する。』 １Ａ．磁石をコイルに近付けたり遠ざけたりしたときに発生する誘導起電力の様子と，磁石を動かす速さ（コイルを貫く磁束が変化する速さ）によって誘導起電力の発生の仕方の違いを確認するための映像です。 １Ｂ．コイルの配置を反転させ，磁石をコイルに近付けたり遠ざけたりしたときに誘導起電力の発生の仕方にどのような違いが見られるかを確認するための映像です。 １Ｃ．コイルの巻き数を半分にして，磁石をコイルに近付けたり遠ざけたりしたとき，誘導起電力の発生の仕方にどのような違いが見られるかを確認するための映像です。 １Ｄ．静止しているコイルに磁石を近付けたり遠ざけたりしたときと，静止している磁石にコイルを近付けたり遠ざけたりしたときとで，誘導起電力の発生にどのような違いが生じるのかを確認するための映像です。 ２．スイッチを介してコイルと電池を接続し，スイッチの開閉を行うことにより，コイルに対して並列に接続されたネオン管（点灯させるには70V以上の電圧が必要）にどのような変化が生じるかを確認するための映像です。 ３Ａ．スイッチを介して１次コイルと電池を接続し，スイッチの開閉を行うことにより，２次コイルに接続されたネオン管（点灯させるには70V以上尾電圧が必要）にどのような変化が生じるかを確認するための映像です。 ３Ｂ．電球を接続した２次コイルを，交流電源に接続した１次コイルと同軸になるように配置したとき，２次コイルの位置と電球の光り方との間にどのような関係あるのかを確認するための映像です。 ３Ｃ．銅製の輪を糸でつり下げ，コイルと同軸になるように配置し，コイルに交流電流を流すとき，輪に切れ目がある場合と無い場合とで，どのような違いが生じるのかを確認するための映像です。 |
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| SHIMADZU製の「回転磁界説明器」を使った実験の映像です。昭和４１年製の装置ということもあり，Ｕ字形磁石がかなり弱っていました。着磁し直すことも考えましたが，今回は現象にはっきりとした違いが現れるように，より強力なネオジム磁石を取りつけて実験を行いました。
実験に用いた円板は次の３種類です。 |
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| 交流回路では，これまで慣れ親しんできた直流回路とはずいぶん振る舞いが異なります。 特に，位相のずれや，周波数の変化による影響を考慮しなければいけない場合については，自分の目で現象を確認するまでは，実感が湧かないことが多いのではないかと思います。 また，周波数が高い条件下では，オシロスコープなどを利用して測定を行わなければならないため，慣れていない人にとっては，なかなか理解できないことが多いように思います。 そこで，比較的なじみの深い機器を使って，交流の基本的な特性を確認できるようにと考え，超低周波発振器を使った簡単な実験を行ってみることにました。 １．実験に利用した機材を紹介する映像です。超低周波発振器，抵抗，コンデンサー，微弱電流計（マイクロアンペア･メーター），ダイヤル式抵抗器の順で機材を紹介します。） ２．３の項目で紹介するコンデンサー接続時との比較用に撮影した映像で，抵抗接続時には電流と電圧の位相にずれがないことを確認してください。 ３．電流と電圧の位相にπ/2のずれが生じることを確認してください。 ４．コンデンサーのリアクタンスは1/2πf Cですから，周波数 ｆ の増加にともなってリアクタンスは減少するはずです。 そうすると，周波数 ｆ の値が大きくなるにしたがって電流の値はどのようになるでしょうか？映像でご確認頂きたいと思います。 ５．交流回路で電流や電圧を測定する場合には，交流用の電流計や電圧計を用いるのが普通です。もし，直流用のものを使用したとしたらどうなるのでしょうか？ そのことを確認するために撮影してみました。 |
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ＲＬＣ直列回路
による共振
映像を再生します。 |
ＲＬＣ直列回路におけるインピーダンス（合成抵抗）は
ですが，コイルのリアクタンスωLとコンデンサーのリアクタンス １／ωC が等しくなるとインピーダンスは最小となり，回路に流れる電流の強さが最大になります。 |
