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担当者
越桐國雄
問い合わせ先
koshi@cc.osaka-kyoiku.ac.jp
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物理分野プログラム 理科教育講座
領域
基礎科学(教科の基礎、発展的学習)
教材の形式
動画、画像, 実験・実習
研修、講座、授業
学校授業(小中高)
教科、科目

【小専理科物理分野】「てこの規則性」 天びんのしくみ

【対 象】 小学校第6学年

【学習指導要領】 小学校6年理科 A 物質・エネルギー(3)てこの規則性

【目的・ねらい】

 力学の基礎となる「力のモーメント」の概念の導入となる現象を体感する。初等的な力学における剛体のつりあいの条件の1つとして,任意の支点を基準として,物体に加わる力のその支点のまわりでの力のモーメント総和が0になることがあげられる。これに加えて,力のベクトル和が0であれば,物体は静止することができる。
 このため,支点のまわりに働く複数の力の間には一定の関係式が成り立つことになる。てこに関連する様々な事象をとおして,おの法則性が数量の関係式の形で表現されること理解することで,自然法則の定量的な理解の第1歩とすることができる。
【原理の説明】 
 一様な細い棒の中点にてんびんの支点を設け,両端の対称的な位置に比較したい物体を載せるため容器を取り付けたものを作成する。支点を中心として左右の力のモーメントが等しいときに,棒は水平につり合うことができる。
 「棒+容器+測定物」の重心は普通,支点の位置に比べて下方になることから,天びんが水平からずれた場合は重心も鉛直線上からずれる。このとき重心に働く重力が天秤のつりあいの位置への復元力として働くため,最終的には棒が水平な状態になってつり合う(やじろべえの原理)。
 仮に,「棒+容器+測定物」の重心が支点の位置に一致すれば,天秤は水平でない状態でもつり合うことが出来る。

【材料・器具】

 ペットボトル(2L),木の棒(45cm),目玉クリップx3,糸,プラスチックカップ,ゼムクリップ,竹ひご(8cm),ガムテープ,ものさし,金属片(15mm×45mm×0.5mm:アルミ,マグネシウム,銅,亜鉛)

【実験手順】

(1) ペットボトルに水を1/3入れてキャップをする。
(2) キャップに8cmの竹ひごをガムテープで固定する。
(3) ものさしで木の棒の中点を計って鉛筆で印をつけ,目玉クリップの
  目玉が中点の位置上になるように上向きに取り付ける。
(4) 木の棒の両端に揃えるようにして目玉クリップを下向けにとりつけるが,
  その際に計量容器となる糸のついたプラスチックカップの糸を挟み込む。
(5) ペットボトルキャップの竹ヒゴを天秤棒の中央の目玉クリップの穴に
  とおし,天秤の支点とする。
(6) 天秤棒が水平になるかどうかを確かめる。傾いている場合は,補正のため
  カップの底に適当なサイズのガムテープを貼り付けて水平にする。
(7) カップの両方に同じ重さのもの(硬貨など)を入れて
  釣り合いが保たれることを確認する。
(8) 一方のカップにゼムクリップ(小 0.2g)を載せて天秤が
  傾くことを確かめる。
(9) この天秤を使って同じ大きさで材質の異なる金属の重さを比較する。

【ポイント】

☆ペットボトルに水を入れるときにこぼれないように注意する。
☆天秤をつりあわせるときに支点や計量容器の取り付け位置を
 ずらせることによって調整しないよう十分注意する。