斜面を登る台車の不思議。イージーセンスで解き明かす加速度の秘密

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

斜面を駆け上がり、一瞬止まってから再び滑り降りてくる台車。この何気ない運動の中に、物理学の最も美しい法則の一つが隠されていることをご存知でしょうか。今日は、理科教育の現場を劇的に変える「魔法の杖」、実験用センサー機器「イージーセンス」についてご紹介いたします。みなさんはイージーセンスという機器をご存知でしょうか。

記録テープが抱える「弱点」とは？

「日本の教科書にあるような記録テープで十分ではないか」という疑問を持つ方もいるかもしれません。確かに、等加速度直線運動の実験において、テープを切り貼りしてグラフを作る作業は、速度や変位を肌で感じる素晴らしい学習体験です。しかし、デジタルセンサーには、アナログでは決して到達できない「科学の深淵」があります。例えば、「負の等加速度直線運動」。記録テープは、台車が遠ざかる動きには対応できても、こちらに向かって戻ってくる動きではテープがたるんでしまい、測定不能になってしまいます。また、得られた膨大なデジタルデータを解析する経験そのものが、現代社会で必須となるICTスキルの育成に直結します。高価な機器ではありますが、まずは1台。電子黒板やプロジェクターと組み合わせるだけで、クラス全員を深い学びへと誘う「魔法の演示実験」が可能になるのです。今日は、センサー機器にしかできない実験方法と、生徒の心を動かす見せ方を解説します。

用意するもの

イージーセンス、距離センサ（超音波センサ）、力学台車、斜面

イージーセンスの設定方法

① イージーセンスの設定は、「グラフ」を選び、測定時間5〜10秒、測定間隔20msにします。② 「距離・速度・加速度」の3つのデータを同時に可視化するため、以下の設定を行います。

ツール ＞ 測定前設定ガイド

プレセット関数 ＞ 運動

公式 ＞ 速度または加速度 ＞ 単位の選択 ?/s のところを m/s にする。

これで、3つのグラフの準備が整いました。③ グラフ画面でy軸をタップすれば、表示項目を切り替えられます。④ 視覚的な理解を深めるため、グラフを3つ並べましょう。

グラフオプション ＞ グラフの数 ＞ 3

⑤ それぞれ上から距離、速度、加速度に設定します。最後にグラフ上を右クリックし、「チャンネルの表示・非表示」で、各グラフに必要な項目だけを選択すれば完了です。

実験をやってみよう！「見えない力」を可視化する

① 超音波センサを斜面の下部に設置し、台車を手で押さえます。

② イージーセンスの記録ボタン（三角形のボタン）を押します。③ 台車を斜面上向きに軽く押し出し、初速度を与えます。

実験結果からわかる宇宙のルール

台車が斜面を登り、最高点で静止し、再び下ってくる様子が、リアルタイムでグラフ化されます。このシステムでは、超音波で測定した「距離」のデータをソフトが瞬時に微分し、速度と加速度を算出しています。特筆すべきは、生徒が苦手とする「負の等加速度直線運動」が、目の前の動きとグラフの動きとして完全に同期することです。速度がプラスからゼロを経てマイナスへと滑らかに変化する様子は、教科書の静止画では伝えきれない感動があります。

ここで面白いのは、「台車が頂上で止まっている瞬間も、加速度は変わらず一定である」という事実です。登っているときも、止まった瞬間も、下っているときも、物体には常に一定の重力の成分が働き続けていることが、グラフから一目で理解できます。「記録テープでは物理的に不可能な実験」が、何度も即座にやり直せる。このスピード感こそが、試行錯誤を促す科学の原動力となります。さらに、データをExcelに書き出して解析させれば、立派なデータサイエンスの入り口となるでしょう。ぜひ、デジタルが切り拓く新しい理科の世界を体験してみてください。

お問い合わせ・ご依頼について

科学の不思議やおもしろさをもっと身近に！自宅でできる楽しい科学実験や、そのコツをわかりやすくまとめています。いろいろ検索してみてください！・科学のネタ帳の内容が本になりました。詳しくはこちら・運営者の桑子研についてはこちら・各種ご依頼（執筆・講演・実験教室・TV監修・出演など）はこちら・記事の更新情報はXで配信中！

科学のネタチャンネルでは実験動画を配信中！