物体の落下加速度測定装置の開発とその教材化

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PICマイコンを利用して0.1[ms]の時間カウンターを作製し、球体の物体を自由落下運動させたり、鉛直投げ下げ運動させたりして、その落下加速度を直接且つ即時に求められる測定装置を開発した。透明アクリル円筒の3箇所に光センサーを付属したPICマイコン(PIC16F873A)とパソコンから成るZigBee無線通信による落下加速測定装置である。物体の落下途中の3箇所での時間と速度の3組の測定データから最小自乗法により、落下加速度と初速度を求め、パソコン画面に速度Vと時間tのV-tグラフを描き、加速度の値や相関係数等を表示するものである。その透明アクリル円筒の中に、大きさが同じで質量の異なる6種類の球体の物体を落下させて、それぞれの落下加速度を測定し、その平均値や平均値の標準偏差を求めることができた。本研究の主な成果は次の3つである。(1)落下加速度を直接求められるので、基本的な運動方程式により、各球体に働く空気抵抗力の大きさを求め、生徒の科学的探究心を高めることができた。(2)実験結果から空気抵抗力と質量との関係を考察する場合、空気抵抗力と質量の関係を直接考えるのではなく、重力と空気抵抗力の大きさの比率を基にし、その比率と質量の関係を考えなければならないという科学的見方を持たせ、生徒の科学的視点を養うことができた。(3)この装置を利用した授業実践を通して、生徒にコンピュータ計測への知的好奇心を喚起し、最小自乗法や運動の法則の有効性を体感させ、生徒の科学的探究心を深め、生徒の能動的学習意欲を高めることができた。