抵抗・電圧・電流の直感的理解から定量的理解へと導く水流モデル教材の開発

开发从直观到定量理解电阻、电压、电流的水流模型教材

• 批准号: 24909055
• 负责人: 川合 政人
• 金额: $ 0.26万
• 依托单位: Hakodate National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-24909055/
• 关键词: 電気回路; 水流モデル; 教材

目的:中学校の理科教育での電気回路の説明において、電流を水流に対応づけた水流モデルが用いられているが、既存のモデルは抵抗・電圧・電流の振る舞いを明快に表現していない。そこで本研究では、まず抵抗・電圧・電流を直感的に理解し、続いて電気回路の定量的な理解へと導くことを目的として、独自の水流モデル教材を開発した。実施内容:まず、各種水流モデルの製作事例を調査・検討した結果、水路上面が密閉されていない「開きょ形状」の水流モデルを製作することにした。開きょ形状固有のメリットは、<水路途中の水位>がく電気回路における電位>に対応し、エネルギーである電圧を直感的に理解できることである。また他の水流モデルと同様に、<水路途中の流量>がく電気回路における電流>に、<水路途中の障害物>がく電気回路における抵抗>に対応付けられる。水路中の水位は、流れを妨げる障害物の多・少に応じて変化すると考えられるので、オームの法則を本水流モデルで表現可能であると予測した。この予測を検証するため、開きょ形状の水流モデルの試作を行った。1回目の試作として、水道水を利用した非循環タイプの水流モデルを製作した。次に、電気回路により近い表現を行うために小型のポンプを利用した循環タイプの水流モデルを製作した。これらの試作にあたっては、3次元CADを用いて装置を設計し、CADデータをもとにレーザー加工機でアクリル樹脂板の切断と溝加工を行った。成果:電気回路の振る舞いを水流モデルで表現することを目的として、開きょ形状の水流モデル(非循環・循環タイプの2種)を製作し、以下の知見を得た。(1)開きょ形状の水流モデルは、電気回路における電圧降下を水位差として直感的に表現できる。(2)循環タイプの水流モデルでは、抵抗と水位差の関係が定量的に評価可能である。

Objective: school の science education で の electric 気 loop の illustrate に お い て, current を flow に 応 seaborne づ け た flow モ デ ル が with い ら れ て い る が, existing の モ デ ル は vibration resistance, electric 圧, current の る dance い を lively に performance し て い な い. そ こ で this study で は, ま ず resistance, electric 圧, current を に understanding towards し, 続 い て electric 気 loop の quantitative な understand へ と guide く こ と を purpose と し て, alone の flow モ デ ル textbooks を open 発 し た. Be content: shi ま ず, all kinds of water モ デ ル の production examples を survey, 検 beg し た results above, waterway が airtight さ れ て い な い "open き ょ shape" の flow モ デ ル を making す る こ と に し た. Open き ょ shape inherent の メ リ ッ ト は, < water way の water > が く electric 気 loop に お け る potential > に 応 seaborne し, エ ネ ル ギ ー で あ る electric 圧 を に understanding towards で き る こ と で あ る. ま た he モ の current デ ル と with others に, < water way の traffic > が く electric 気 loop に お け る current > に, < water way の handicap of content > が く electric 気 loop に お け る resistance > に 応 seaborne pay け ら れ る. Waterway は の water level, flow in れ を hinder げ る handicap of content の more, less に 応 じ て variations change す る と exam え ら れ る の で, オ ー ム の law を this flow モ デ ル で performance may で あ る と be し た. The <s:1> <s:1> was tested to confirm the を検, and the <s:1> ょ shape of the <s:1> water flow was opened. The モデ and <s:1> were tested to make a を row った. 1 pa2 の attempt と し て, water を using し た acyclic タ イ プ の flow モ デ ル を making し た. Time に, electricity 気 loop に よ り nearly い line performance を う た め に small の ポ ン プ を using し た cycle タ イ プ の flow モ デ ル を making し た. こ れ ら の attempt に あ た っ て は, 3 dimensional CAD を い し を て device design, CAD デ ー タ を も と に レ ー ザ ー processor で ア ク リ ル resin plate の cut と groove machining line を っ た. Results: electric vibration 気 loop の る dance い を flow モ デ ル performance で す る こ と を purpose と し て, open き ょ shape の flow モ デ ル (not cycle, cycle タ イ プ の 2) を し making, the following の knowledge を た. (1) open き ょ shape の flow モ デ ル は, electricity 気 loop に お け る electric 圧 lowered を waterhead と し て に performance towards で き る. (2) cycle タ イ プ の flow モ デ ル で は, resistance と waterhead の masato is が に of quantitative evaluation of 価 may で あ る.