データがキレイに出て感動！レールとビー玉で解き明かす位置エネルギーと仕事の関係
サイエンストレーナーの桑子研です。
「高いところにある物体は、エネルギーを持っている」
位置エネルギーの実験は杭打ち器を使って確かめるが最も直感的でわかりやすくて、優れていると思います。ただだからと言って、この杭打ち器が結構高いという特徴があります。
私も一つ買ってみたのですが、確かに綺麗に測定できて、わかりやすいという良さがあります。ただなかなか８班分用意するのは大変ですよね。そこで手作りで安く済ませたいとすると、やはりカーテンレールや配線カバーを使った実験器具を用意する必要があります。それがこちらです。
ビー玉を高いところから転がして、的となる電池にぶつけて、その電池が移動した距離を測定するという実験です。この実験のちょっとわかりにくいところは、位置エネルギーを測っているように見えて、運動エネルギーを測っているという感じを生徒が受けてしまうところです。杭打ち器も同じようなことをしていますが、こちらの方がより運動エネルギーを測っているように見えてしまう感じは否めません。ただし、手作りができて、学校で揃えやすいというのが良いところであるとおもいます。
準備するもの・実験のセット方法
- 滑らかな傾斜レール・配線ケーブルなどを使って作成できます。
- 質量の異なる3種類のボール（ビー玉、アルミ玉、真鍮の球など）
- 電池（単２）（ボールが動かす「荷物」として使用します）
- ものさし、テープ、記録用紙（ワークシート）
実験の手順と成功のポイント
１ スタートの高さを正確に測る
転がす前に、球の中心の高さを測定します。
２ 高さを変えて転がして、単２乾電池の動いた距離を測定する
高さの設定は、例えば 5cm・10cm・15cm・20cm の4段階で行います。このとき、生徒が「目線を下げて」「腰を屈めて」「そっと手を離す」ことがとても大事です。なぜなら、位置エネルギーの大きさは「高さ」で決まるから。スタートの高さを正確にしないと、信頼できるデータが得られません。
電池を斜面下に置いて「荷物」として使います。ボールが持つエネルギーが、この電池をどれだけ押し出せたか？ その移動距離を測ることで「ボールがした仕事の大きさ」を捉えることができます。まさに、目に見えないエネルギーが「移動距離」という目に見える結果に変換される瞬間です！
実験の様子はこちらの動画をご覧ください。
また実際に位置エネルギーの計算をする際には、高さではなく、落差を計算するのがポイントです。
机の面からボールの中心までの高さをはかります。3.7cmでした。
続いて、ボールを落とす時の高さを例えば20.0cmなどとして手を離します。
するとこの時使えた位置エネルギーに関係する落差は、
20.0-3.7=16.3cm
となります。
驚くほどキレイ！実験結果と考察
こちらが、生徒たちが実際に取り組んだ実験結果の例です。
これらの結果をもとに、2種類のグラフを描かせてみました。
グラフ1：高さと電池の移動距離の関係（質量は一定）
下から、ビー玉、アルミ玉、真鍮玉となります。
生徒によっては、右の図のように近似線を描いた班もありました２クラス１６班中、１班のみでした。
グラフ2：ボールの質量と電池の移動距離の関係（高さは一定）
例えば上のグラフで高さ12cmの時の線の関係から、箱が動いた距離を取り出して、
グラフを作ると、次のようになります。
生徒によっては、データ数の少なさから右のような二次関数になったと考える生徒もいました。
ただし多くの生徒が、高さと質量に比例するという関係を見出せていました。ポイントはボールを大きな重い物にしているということがあります。
生徒たちも、教科書の中の「位置エネルギーは、高さと質量に比例する」という言葉が、自分たちの手で作り出したグラフに現れたことで、深く納得した様子でした。
ワークシート
生徒用の記録・考察用ワークシートも用意しています。ぜひご活用ください。
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