手作り酸素センサを利用した自然探求型の教材開発と展開研究

手工氧传感器自然探索型教材的开发与拓展研究

• 批准号: 14022254
• 负责人: 高橋 三男
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Tokyo National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14022254/
• 关键词: 理科教育; 手作り酸素センサ; 理科教材; ガルバニ電池式センサ; 酸化反応; 計測; 酸素; 消炎反応

(1)「探求1-手作り酸素センサ」:酸素センサ酸素センサの原理は、隔膜ガルバニ電池方式によって作成する。金の平板電極(直径5mm)と鉛電極をプラスチック樹脂に埋め込んだものを用意し、電解溶液は、安全性の面を考慮して、重曹(0.1M NaHCO_3)と洗濯糊(ポリビニルアルコール10%水溶液)の混合液を使用した。酸素透過膜には、簡単に手に入れることができるポリエチレン製の膜を利用した。金電極上での酸素の還元と、対極側での金属酸化反応により発生することから、酸素の濃度(分圧)に比例した電流が得られる。酸素の還元と鉛の酸化は、次式で表される。金電極(酸素の還元)O_2+2H_2O+4e^-→4OH^-対極(鉛の酸化)2Pb+4OH^-→2Pb(OH)_2+4e^-金と鉛の電極を1kΩの固定抵抗でつなぎ、発生する電流を電圧に変換し、大気中の酸素濃度を求める場合、空気中の出力電圧を空気中の酸素濃度(20.9%)として検定する。溶液中の酸素濃度を求める場合、ビーカー500mLにイオン交換水を入れエアーポンプでバブリングし、25℃の時の飽和溶存酸素濃度を8.11mg/Lとして検定する。濃度表示にはテスターで酸素電極の端子に接続するのが便利である。今回、マイクロニクス社との共同研究により、高精度で低価格のテスターDMD241を使い誰もが簡単にデータをパソコンで取り込みエクセルでデータ処理できるようにした。同時にコンピュータ操作と計測教育も兼ねて行うことができる。この酸素センサは、簡単に作製することででき、感度も高く、応答性の面でも優れ、センサとしての寿命も長く、センサが劣化しても鉛極を紙ヤスリで磨くと簡単に再生することができるよう工夫した。また、センサの出力電圧をオペアンプの作製により増幅したり、基本的な回路制作の一環として、検出部分を手作り酸素センサを用いることで教材を展開することも可能である。下記の教材を開発した。(II)「探求2-ロウソクの消炎」:消炎反応,(III)「探求3-使い捨てカイロ」:酸化反応(IV)「探求4-キュウリでビタミンCセンサ」:野菜を使ったバイオセンサ

(1)"Explore 1-manual acid solution": acid solution principle, separator, battery method and preparation. The gold plate electrode (diameter 5mm) and lead electrode are used in the mixed solution of resin, electrolyte solution and washing paste (10% aqueous solution). The acid is transmitted through the membrane, and the membrane is used. The reduction of the acid on the gold electrode and the reaction of the metal acidification on the opposite electrode are produced in proportion to the concentration (partial pressure) of the acid and the current. The acid element is returned to the original and the lead is acidified. Gold electrode (acid reduction element)O_2+2H_2O+4e^-→4OH^-electrode (lead acidification) 2Pb +4OH^-→ 2Pb (OH)_2+4e^-gold and lead electrode 1kΩ fixed resistance, current generation, voltage change, acid concentration in high atmosphere, output voltage in air, acid concentration in air (20.9%) and temperature change. The acid concentration in the solution shall be 8.11 mg/L at 25℃. The concentration indicates the convenience of connecting the terminals of the acid electrode. This time, the joint research of the company, high precision, low standard, DMD241, makes it possible to simplify the process of the company. At the same time, the operation and measurement of education should be carried out. The acid is easy to control, high in sensitivity, high in reliability, long in service life, and low in cost. The output voltage of the battery is increased, and the basic circuit is produced. The following is a summary of the teaching materials published. (II)"Search 2-":,(III)"Search 3-":(IV)"Search 4-":

项目成果

高橋三男, 平田房雄, 筒井健太郎, 柚賀正光, 仁木輝緒, 川島徳道: "手作り酸素センサを利用した自然探求型の教材開発と展開研究"文部科学省科学研究費補助金「特定領域研究」(平成14〜18年度)「新世紀型理数科系教育の展開研究」平成14年度研究成果報告書. 63-64 (2003)

高桥光雄、平田房雄、筒井健太郎、柚贺正光、二木辉夫、川岛典道：“使用手工制作的氧传感器开发和扩展自然探索型教材”文部科学省补助金科学研究“特定领域研究”（FY2002-FY2002）“新世纪科学与数学教育的发展研究”FY2002研究成果报告（2003）。

野中智彦, 岡本大地, 高橋三男: "手作り酸素センサによるジャガイモと過酸化水素反応のモニタリングに関する研究"第5回化学工学会学生発表会研究発表講演要旨集. 5. 67 (2003)

Tomohiko Nonaka、Daichi Okamoto、Mitsuo Takahashi：“使用手工制作的氧传感器监测马铃薯-过氧化氢反应的研究”化学工程师学会第五届学生演讲摘要（2003 年）。

高橋三男, 筒井健太郎, 石地徹, 川島徳道: "手作り酸素センサによるモニタリングに関する教材開発(2)"日本化学会第82秋年会(2002)講演予稿集. 82. 264 (2002)

Mitsuo Takahashi、Kentaro Tsutsui、Toru Ishiji、Norimichi Kawashima：“使用手工制作的氧传感器进行监测的教材的开发（2）”日本化学会第 82 届秋季会议记录（2002 年）82. 264（2002 年）。

M.Takahashi, N.Kawashima, T.Ishiji: "TEACHING TOOLS FOR SCIENCE EDUCATION USING HANDMADE OXYGEN SENSOR"9^<th> International Meeting on Chemical Sensors ABSTRACT BOOK. 9. 328 (2002)

M.Takahashi、N.Kawashima、T.Ishiji：“使用手工氧气传感器进行科学教育的教学工具”第 9 次化学传感器国际会议摘要书。

酒井久美子, 木村翔, 高橋三男: "手作り酸素センサによるキュウリとビタミンC反応のモニタリングに関する研究"第5回化学工学会学生発表会研究発表講演要旨集. 5. 68 (2003)

Kumiko Sakai、Sho Kimura、Mitsuo Takahashi：“使用手工制作的氧传感器监测黄瓜和维生素 C 之间的反应的研究”第五届化学工程师学会学生演示会议摘要（2003 年）。