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1 物理 沖縄県立総合教育センター前期長期研修員第 44 集研究収録 2008 年 9 月 電磁誘導 の理解を深める指導の工夫 誘導電流発生装置の製作と活用を通して Ⅰ テーマ設定の理由 沖縄県立陽明高等学校教諭上原健秀 高等学校学習指導要領 物理 Ⅰ の目標には 物理的な事物 現象についての観察, 実験などを行い, 自然に対する関心や探究心を高め, 物理学的に探究する能力と態度を育てるとともに基本的な概念や原理 法則を理解させ, 科学的な自然観を育成する とある その目標の達成には生徒の関心や探究心の喚起を目指し, 身近で効果のある教材を用いて実験や観察を行い, そこから基本的な原理や法則の理解に繋がる学習指導の工夫が必要であると考える 現代の科学技術の発展は目ざましく, 私たちの身の回りには便利な電化製品がある 多くの生徒はそれらを日々利用しているにもかかわらず, 電気 の学習に対して苦手意識を持っている それだけではなく電流と磁界の関係については, 十分な理解がなされていないと授業を通して感じる それらの要因の一つに電化製品の内部構造は見えにくいため, その中で起きている物理的な現象を, 授業で学んでいる内容と結びつけることができないことが挙げられる そこで 電流 と 磁界 について体系的に学べるよう 電磁誘導 の指導の工夫を考えた 電磁誘導は導線の閉じた回路を通過する磁束が変化するとき, その変化を妨げる方向に電流を流そうとする電圧が生じる現象のことである 電流と磁界が互いに密接に影響し合うことを示す, 非常に重要な現象のひとつである これは中学校で概要を学んでいるが, 本研究ではそれを踏まえ, 生活における利用方法の観点から学習指導を行った 電磁誘導は電磁調理器や充電器 ( 電動歯ブラシや電気シェーバーなど ), ハイブリッドカーのブレーキなどに利用されている それら身近な製品の内部構造を学べる装置を開発し, 授業で扱う方が, 生徒には効果が高いと考える そこで電磁調理器の原理が学べる 誘導電流発生装置 を製作し, 授業での活用を行いたい 興味 関心の喚起だけでなく, 知識 理解が得られるよう, まず装置の仕組みを知ることでその原理を学び, その装置を用いた実験を通して 電磁誘導 の本質を捉えることができるのではないかと考え, 本テーマを設定した 研究仮説 誘導電流発生装置を用いた実験を通して, 生徒が電流と磁界について学ぶことで 電気 に対する興味 関心が高まり, 電磁誘導 の基本的な性質や法則の理解が深まるであろう Ⅱ 研究内容 1 実態調査 (1) 目的 1 生徒のレディネスを調べ 授業設計や教材製作の基礎資料とする 2 事前 事後アンケートを行うことにより 生徒の変容を分析する (2) 対象沖縄県立陽明高等学校総合学科 1 年 2 組,39 人 ( 男子 20 人, 女子 19 人 ) (3) 実施日平成 20 年 5 月 28 日 ( 水 ),7 月 2 日 ( 水 ) (4) 結果と考察 1 対象が高校 1 年生であるため, アンケートは中学校での第 1 分野 ( 物理内容 ) について行った 次の内容で何が得意ですか の問いでは 光と音 が45% と高い値であった 今回の研究テーマである電磁誘導の学習を含む 電流の利用 は5% と低く, 電流 と合わせても18% という値であった このことから目や耳で直接感じ取れる現象が生徒の理解に繋がりやすいのではないかと考える ( 図 1 ) 1

2 2 電流 と 電流の利用 の単元では電気や磁力についていろいろな事を学んだと思います これらの単元は好きですか? の質問では あまり好きではない 嫌い 合わせて68% と多いのに対し, 好き と答えた生徒は1 人だけであった 普段の授業を通して生徒の苦手意識を感じることはあったが予想以上に少ない人数である 好き まあまあ好き と答えた理由で一番多いのは 実験が楽しい で 83% であった 生徒の興味 関心の喚起には, 実験を多く取り入れる必要がある あまり好きではない 嫌い の理由の上位は 計算が多い 46%, 難しい 43% であった ( 図 2 ) このような結果を踏まえ, 電気を扱う授業では実験や計算問題などにより一層の配慮が必要と考える 3 電気に対する興味 関心はありますか の質問では ない あまりない の2 項で63% を占める ある は 5% しかおらず, これは人数でいうと 2 人である ( 図 3 ) また 授業で学んだ 電気 が生活の中で多く利用されています その例を挙げてください いくつでも結構です の質問では, 携帯電話やテレビなど生徒が普段使用する電化製品が例に挙がった しかし例を挙げることができなかった生徒が 26% もいた ( 図 4 ) これらの結果から 電気 に対する興味 関心の低さがうかがえる 4 レディネステストは 電流 と 電流の利用 の内容から出題した 選択問題の正答率は69% であったが, 磁界やオームの法則については6 0% 前後と低めである ( 図 5) また 電磁誘導とはどのような現象か ( 記述 ) では21%, 磁界の様子を表せ( 作図 ) は 29% と低い正答率であり, 解答からは磁界や電流の向きが逆であるものや, 磁界と電界を混合してるものなど, 生徒の曖昧な知識, 理解がうかがえた 2 仮説検証の手立て (1) 検証の手立て 1 鉄粉プレートとコイルを用いて, 電流と磁界について学べる生徒実験を行う 2 自作の誘導電流発生装置を用いて, 誘 運動の規則性 26% 電流の利用 5% 電流 13% 力と圧力 11% 光と音 45% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 図 1 どの内容が得意ですか 図 2 電流 ( の利用 ) は好きですか 図 3 電気に興味 関心はありますか 図 4 挙げることができた例の数 回路 磁界 66% 導体 88% オーム 57% 単位 95% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 図 5 レディネステストの結果 ( 選択問題 ) 83% 2

3 導電流によって発熱が確認できる実験を行う ( 電磁調理器の仕組みを学べる実験 ) (2) 方法 1 事前 事後アンケートを実施し, 分析を行う 2 ワークシートの分析を行う 3 素材研究 (1) 生徒実験用教材 コイルに交流が流れると, 向きが変化する磁界が発生する この教材はコイルに鉄粉を近づける ことで視覚的に磁界を確認し, コイルに磁石を近づけることで, 変化する磁界を振動として感じら れることを目的に製作を行った 実験では電化製品を意識し, 家庭で使用される交流 100Vを用いる ため, 製作にも安全上の配慮を行った 1 コイル CDケース 回路に大きな電流が流れるため 生徒が金属部分に触れ, 感 電しないようにCDケース内にコイルを収め安全性を高めた ( 図 6 ) ア材料コイル (φ 0.32mm) エナメル線 (φ0.32mm), 厚さ1cmのCDケース, プラグ イ 製作発生する磁界の大きさと, ケースに収まるコイルの厚さを 図 6 コイル 考え, 細いエナメル線 (φ0.32mm) を40 巻し製作した コイル CDケース の直径は鉄粉プレートによって磁界の様子を観察するた め,10cm 程度にした プラグを固定する穴を開ける作業は, 卓上ボール盤や半田ごてで行った 2 鉄粉プレート 観察のしやすさを考え, 細かい鉄粉をCDケースに入れて製 鉄粉 作した ( 図 7 ) ア 材料厚さが1cmのCDケース, 鉄粉, 接着剤 図 7 交流 100V 鉄粉プレート イ 製作 鉄粉は多すぎても観察がしにくいため,5g 前後の量をC Dケースに入れる ケースには隙間が多いため, 鉄粉が漏 1と2を重ねて れないように接着剤で埋める 3 実験方法 1と2は重ねて使用し, 回路には安全を配慮し150Ωの抵抗を繋ぐ ( 図 8 ) コイルに交流を流すことによってできる磁界の様子を鉄粉プレートと磁石を近づけることで観察する (2) 自作誘導電流発生装置電磁調理器の原理が分かりやすく学べることを目標に装置の製作を行った 電磁調理器はガスコンロ ( 図 9) のように炎を発生させて鍋に熱を加えるのではなく, 鍋自ら熱を発 図 8 可変抵抗 150Ω 実験方法 生させることができる 図 9 ガスコンロ 図 10 電磁調理器 ため, 熱効率が非常に高いという特徴を持つ これは鍋 ( 導体 ) に調理器に内蔵されたコイルによ って磁界の変化を与えることにより誘導電流を発生させ, この電流が鍋 ( 抵抗 ) に流れ発生するジ ュール熱を利用し加熱を行っているからである ( 図 10 ) 当初は電磁調理器同様に, コイルに交流を流すことによって誘導電流を発生させる装置の開発を進 めた しかしこの方法で発生させた誘導電流では, 金属に対して発熱の効果は殆ど得られなかった 3

4 コイルの巻数を増やしたり, 電圧を上げるなどの工夫をしてみたが, 用いた交流は 60Hzであるため, 磁界の変化が発熱に効果がある大きさにならなかったと考えられる 誘導電流の値は単位時間あたりの磁界の変化量に比例するため交流の周波数が大きいほど誘導電流は大きくなり発熱量は増える 電磁調理器はインバータを使用した電力変換装置を用いて, 数万 Hzに変換した交流をコイルに流し, 誘導電流を発生させている 今回製作した誘導電流発生装置は構造の単純化, 安全性を考え, 図 11のように磁石を回転させることにより, その磁界を変化させる方法を用いた しかし普通の磁石による磁界の変化では期待できる効果が得られなかったため, ネオジウム磁石を使用してある ネオジウム磁石 (Neodymium magnet) とは希土類元素のネオジム (Nd, 原子番号 60 ), 鉄, ホウ素の化合物であり現在世界最強の永久磁石といわれている 非常に強い磁力を持ち, 割れやすいため取り扱いには注意が必要である 1 材料扇風機, 円形ネオジウム磁石 6 個 (φ30mm,3100ガウス厚さ0.5mm ), 塩化ビニル板 ( 厚さ0.5mm ), 塩化ビニルパイプ (φ75mm), ゴム栓 (10 号 ), 液晶シート,CD, アクリル板, スポンジ 2 製作磁石を取り付けたプレート部分を回転させる動力は, 扇風機のモーター (30W) を用いる 重いネオジウム磁石をこのモーターで回転させることにより磁石プレートには大きな遠心力がはたらく そのため外周を塩化ビニル製のパイプで囲み, 表面を塩化ビニルシートとCDで覆い, 安全性を確保してある 磁石は互いに引き合い, 軸からの距離も一定になるよう配置した ( 図 11, 図 12 ) モーターの回転軸への取り付け部分は, メンテナンスや加工のしやすさからゴム栓を利用した 高速での回転では少しのずれが大きな振動となり実験に支障がでるため, 円盤の軸となるゴム栓の素材, 大きさ, モーターへの取り付けには細心の注意を払った 回転による振動を抑えるため, 装置の底にスポンジを取り付けてある 安全面と観察のしやすさを考えて装置の上部はアクリル板で覆った ( 図 13 ) 3 実験方法金属とシートタイプの温度計をアクリル板で挟み, 回転している磁石プレートに近づけ, 発熱の様子を観察する ( 写真 1 ) シートは温度によって色が変わるので,30 から45 までの温度変化を瞬時に視覚で判断することができる 今回は厚さや種類の異なる金属片をシートに貼り付けて実験を行い, 発熱の違いを短時間で確認することができた ( 写真 2) 4 課題自作誘導電流発生装置では, 水を沸騰させるだけの発熱量は得られなかった また大きな金属で実験を行うと, 磁界からの強い抵抗 ( 回生ブレーキ ) を受け, 磁石プレート 図 12 モーター (30W) 写真 1 アクリル板 図 13 パイプ ( 塩化ビニル ) 磁石のプレート部分 誘導電流発生装置 誘導電流発生装置 写真 1 写真 2 図 11 磁石の配置 ゴム栓 (No.10) ネオジウム磁石 磁石プレート 実験の様子 スポンジ 金属片の発熱の様子 4

5 の回転数が著しく落ちてしまう それらの問題点を改善するにはモーターの強化や磁石の配置などの改良が必要である そうすれば発展的な授業や課題研究にも本教材を活用できるようになるだろう 今後はコイルを使用した誘導電流発生装置や生徒実験用の簡易版の開発も進めたい Ⅲ 指導の実際 1 単元名 電気 2 単元設定の理由 (1) 教材観中学校の第 1 分野 電流 電流の利用 において, 電流と磁界についての基本的な内容を学んでいる 本単元ではそれらの内容を再確認し, 基本的な知識の習得が図られている その上で授業で学んだ原理や法則が, 身近な生活を支える電化製品に利用させていることを学習する 実際に電化製品の内部を観察したり, 簡単な装置を作ることを通して, 生徒の電気に対する興味 関心の喚起だけでなく, 基本的な原理や法則を理解させることができる教材であると考える (2) 生徒観物理を選択した生徒たちだが, 電流 に対して苦手意識を持ち, 理解も十分になされていない生徒は少なくない レディネステストでは選択問題の正答率は8 割近かった しかし記述式の問題や作図問題では3 割前後の正答率と低い値である アンケートからは 電気 に対する興味 関心の低さもうかがえた (3) 指導観中学校での学習内容を踏まえ, 生徒の理解度が低いオームの法則や右ねじの法則などを重点的に復習し, 生徒達のレディネスを揃える必要がある また電気, 磁気は直接触ったり見ることができない しかし磁石にはたらく力を実際に手に感じたり, 電気が光や熱に変わる様子を生徒自ら実験, 観察を通して興味 関心を喚起させると共に, これまでの学習内容を確認させる 電磁誘導については, 電流と磁界の相関関係が学べる身近な教材や, 誘導電流発生装置を活用し, 電磁誘導の性質を実験 観察から学べるように配慮し, 生徒の理解につなげていきたい 3 単元の目標生活の中で用いられている電気や磁気の性質について実験を通し, それらへの関心を高めるとともに, 基本的な概念や法則を理解させ, 電気の性質と日常生活との関わりについて認識させる 4 単元の評価規準 関心 意欲 態度思考 判断技能 表現知識 理解 ア. 身近な家電製品に使ア. 電気が生活の中でどのよア. 自らの考えをまとア. 基本的な回路について われている物理的な現 うに使われているか探すこ め発表することがで できる 象を今まで学んだ内容 とができる きる イ. オームの法則について から調べようとする イ. 交流と直流の違いを考え できる ることができる イ. オームの法則の公ウ. 直流と交流の違いを指 イ. 電磁誘導の利用方法ウ. 導線が磁界から受ける力 式を用いて, 練習問 摘できる を, 身近な電化製品か を, これまで学んだ内容か 題を解くことができエ. コイルに電流が流れ発 ら探す ら思考することができる る 生する磁界の様子を エ. 実験からレンツの法則を できる 導くことができる ウ. グラフを描くことオ. 磁界が変化すると誘導 オ. 電磁調理器の長所と短所 ができる 電流が発生する因果関係 を答えることができる をできる カ. モーターと発電機の仕組エ. モーターの原理をカ. 電磁誘導現象による金 みが同じことを実験結果か 理解して, 製作を行 属の発熱をできる ら判断できる うことができる キ. 発電の仕組みをで きる 5

6 5 単元の指導計画と評価計画 ( 全 8 時間 ) 第一章 今日を支える電気 第 1 時 光や熱, 力を生みだす電気 1 時間 第 2 時 電気のはたらき 1 時間 第 3 時 オームの法則 1 時間 第二章 電流と磁場 第 1 時 電流と磁石の関係 1 時間 第 2 時 モーター 1 時間 第 3 時 電磁誘導 2 時間 ( 本時 ) 第 4 時 発電 1 時間 関 関心 意欲 態度 思 思考 判断 技 技能 表現 知 知識 理解 過時 小 評価の 程間 単 指導目標 活動内容 観点 評価の方法 教材 教具 元 関思技知 光や熱, 電気は私たちの生 演示実験を通して, ア ワークシート直流電源装 力を生み活に姿を変えて利用電気について考える 置 1 だす電気 されていることを知 発熱や発光など電気 発表 シャーペン らせる の使われ方について考 アア の芯 え, 発表する 電熱器 第 電子レンジ 一 蛍光灯 章 電気のは 電気回路について 電流回路について確 アワークシート豆電球 たらき 確認させる 認する 電池 1 直流と交流につい 直流と交流の長所, イ イワークシートダイオード て違いを認識させ短所を考え, まとめ る る オームの 電流, 電圧, 抵抗 オームの法則を用い イウワークシート豆電球 1 法則 の関係を理解させて計算を行い, 値を求 問題演習 電池 る める 電流と電圧の関係の ウ ワークシート グラフを描く 電流と磁 コイルがつくる磁 コイルに電流が流れ エ実験 エナメル線 石の関係 界の観察を通して, ることによってできた ワークシート電源装置 磁界の様子を理解さ磁界を確認する 砂鉄 1 せる 磁界の中で電流が流 ウ 実験 磁石 電流と磁界の相互れると磁界から力を受 ワークシート 作用を実験を通してけることを学習する 理解させる モーター モーターの製作を モーターの製作を行 エ 作品 エナメル線 第 1 通して, 電流と磁界い, 原理を学習する 電池 二 の関係を深めさせ クリップ 章 る 磁石紙やすりペンチ 電磁誘導 電磁誘導について 磁界が変化すること エ オワークシート豆電球 1 実験を通し, 確認さにより誘導電流が発生 実験 磁石 せる する仕組みを学習す 電流計 る 電磁誘導 電磁誘導の現象 身近な家電製品に電イ 発表 電磁調理器 1 による発を, 様々な実験を通磁誘導が利用されてい 渦電流発生 6

7 熱 ( 本時 ) して示し, 理解を深ないか探す 装置 めさせる 誘導電流によるジュ オ カワークシート磁石 ール熱を学習する 実験 CCD シート式温度計 発電 発電の仕組みを前 発電の実験を行い, カ キ実験 ダイナモ 1 時の学習を踏まえ, 発電の原理を理解させ ワークシート電球 考えさせる る モーター電流計電子オルゴール 6 本時の指導展開 (1) 主題 電磁誘導現象による発熱 (2) 指導目標 学んだ現象や仕組みが身近な家電製品に利用されていることを気づかせ, 電気に対する興味 関心 を高める (3) 目標行動 (G) 電磁誘導現象による発熱をできる (4) 下位目標行動 1 誘導電流によってジュール熱が発生したことが指摘できる 2 誘導電流発生装置の原理をできる 3 コイルに交流を流すと振動する磁界が発生することを指摘できる 4R コイルに電流が流れると磁界が発生することをできる 5 コイルに交流を流す実験を行える 6 R 交流についてできる 7 電磁調理器の内部を見て, コイルを確認できる 8R コイルを貫く磁界が変化すると電流が流れることをできる (5) 形成関係図 G R 4R 6R (6) コースアウトライン 8R 7 6R 5 4R G (7) 準備する教材 教具誘導電流発生装置, ワークシート, コイル, 鉄粉プレート, 電磁調理器,CCDカメラ, テレビ, プロジェクター (8) 本時の展開 端子教師の活動生徒の活動判断補助結合子 時間フローチャート教師の活動生徒の活動下位備考 評価 導 はじめ 入 1 10 発問 1 前時の学習について質問 8R 分 する a 7

8 a 2 2 電磁誘導について する 3 3 電磁誘導を利用した電化 発問 製品を挙げさせる 4 4 電化製品を考え発 発表 表する 5 5 生徒の発表を発表を踏ま え, 本時のテーマについて 6 する 提示 6 CCDカメラの使用及び 7 机間巡視を行いながら, 電 展 7 磁調理器の内部を見せ, コ 7 観察し, 分からな 開 観察 イルを確認させる いのであれば, 直接 30 8 内部の様子を確認できて コイルに触れ確認す 分 8 9 いるか判断する る 確認 no 補 9 確認できないのであれば yes 再び観察させる 今回の実験のを行う 電流, 電圧が大きいため安 11 全面には注意する 11 グループ実験 実験 調子の悪い器具がないか確 コイルに鉄粉プレー 6R 認する トを近づけ, 磁界の 5 様子を観察する 机間巡視により正しく実 コイルに交流を流し 机間指導 験ができているか確認する 磁石を近づけ, 反応 を観察する 13 確認ができればyes 補 14 正しく実験ができていな 確認 no いグループに助言する yes 実験結果をワーク 記入 シートに記入する 4R 誘導電流発生装置の 3 をする 装置を用いて演示実験を 実験 行う 電磁調理器の仕組みにつ いてする ま と 確認する め 確認 no 補 20 補足する 2 10 yes 1 分 まとめを行い, ワ 記入 ークシートの記入を G 行う 次回の予告 終わり 関 電磁誘導 の利用方法を電 化製品から探そ うとする 電磁調理器 CCD カメラ コイル 抵抗 プラグ 導線 鉄粉 誘導電流発生装置 CCD カメラ プロジェクター 知 電磁誘導現 象による発熱を理 解している 思 電磁調理器 の長所と短所を考 え答えることがで きる 8

9 7 仮説の検証 (1) 生徒の興味 関心は喚起できたか授業で使用したワークシートからは生徒の変容がうかがえる記述が数多く見られた ( 表 1) 表 1 授業後の感想 電気は難しいけど, もっと慣れて分かるようにしていきたい! もっと実験したい 電流のところは難しかったけど, 楽しくできた 授業では実験とかがあって, 楽しく勉強できた 家でやってみよう思いました 電気は苦手な分野だけど, 今回は結構できたような気がする またテスト ( 記述 ) の解答において記入している生徒が事前アンケートに比べて, 事後アンケートでは32ポイントの上昇がみられ, 問題を解こうとする意欲がうかがえた 以上の結果から, 生徒の興味 関心の喚起に効果があったと考える (2) 電磁誘導の基本的な性質や法則の理解は深まったか 1 テストの正答率は全体的に上昇がみられた 特に電磁誘導の理解において不可欠である 磁界 については28% 上昇し,90% を超えた ( 図 14) また 磁界の様子を表せ ( 作図 ) の問題では29% から56% に, 磁界から受ける力 の問題は40% から72% にそれぞれ上昇した このことから電磁誘導の理解に必要な電気や磁力の知識 理解は十分に得られた判断できる 2 記述問題 電磁誘導について詳しくせよ という問題では, 正答率が21% から72% に大きく上昇した ( 図 15) このことから電磁誘導の基本的な性質や法則の理解は深まったといえる 100% 90% 80% 70% 60% 50% 磁界からの力 磁力線 単位オーム導体磁界回路 図 14 アンケート ( 選択 ) の正答率 0% 20% 40% 60% 80% 図 15 作図問題の正答率 事前 事後 事前 事後 事前 事後 Ⅳ まとめと今後の課題 1 まとめ (1) 電気 に対する興味 関心を喚起することができた (2) 自作誘導電流発生装置は電磁誘導の学習に有効であった (3) 自作誘導電流発生装置及び, 生徒実験用教材を用いた授業を行うことで, 生徒が電磁誘導について基本的な性質や法則の理解を深めることができた 2 今後の課題 (1) 誘導電流発生装置の改良 (2) 身近な電化製品の教材化 主な参考文献 三浦 登 2007 新編 物理 Ⅰ 東京書籍 三浦 登 2005 新編 新しい科学 1 分野上 東京書籍 文部科学省 1999 高等学校学習指導要領 国立印刷局 9 0 % 2 0 % 4 0 % 6 0 % 8 0 % 図 16 記述問題 ( 電磁誘導 ) の正答率