生徒が挑む“完璧な等速直線運動の実現”の探究型授業「その台車、本当に等速？」
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
中学校・高校の物理・力学の単元で誰もが学ぶ「等速直線運動」。口頭で「加速度ゼロ、速度一定」と説明するのは簡単ですが、実際に実験で”完璧な”等速直線運動を再現しようとすると、これがなかなか難しい。教科書通りの理想的な状態と、現実の間にギャップを感じた経験、きっと多くの先生方がお持ちなのではないでしょうか。
「水平な机の上で力学台車を押して測定する」――これは多くの学校で定番の実験ですが、いざやってみると、台車はわずかに減速してしまい、記録タイマーのドット間隔も徐々に狭まっていく様子が見て取れます。特に、デジタル記録タイマー（記録タイマーｄ）を使うと、その減速の様子がV-tグラフではっきり表れ、生徒たちから「これ、本当に等速なんですか？」と鋭いツッコミが入ることも少なくありません。
左のグラフがv-tグラフです。
デジタル記録タイマーの「記録タイマーd」を使うと、さらによくわかります。やはり徐々に下がっています。
この現実の観察結果を、理想的な「等速直線運動」と見なして慣性の法則を導き出すのは、生徒にとって納得のいく論理展開とは言いがたいでしょう。そこで、「じゃあどうしたら本物の等速直線運動になるのか？」と、生徒に一歩踏み込ませる授業はできないだろうか、と。今回の実践は、まさにその問いを軸に、生徒が力と速さを量的・関係的な視点から探究し、深い理解へと導くことを目的としたものです。運動の変化の原因となる「力」に着目することで、より本質的な理解を促し、空気抵抗や質量の違いといった要因を認識し、それらを制御して実験条件を整える力を育むことを目指しました。
なおこの実践は吉本一紀先生が開発したものをもとにして、河野勉先生と一緒にデジタル記録タイマーｄを使って改善をしたという実践です。
授業のテーマ：「完璧な等速直線運動を実現する！」
今回の授業のテーマは、ずばり「どうすれば本当に等速直線運動を実現できるか？」です。教科書で「等速直線運動をする場合は合力がゼロになる」と学んだり、先生が繰り返し説明したりしても、この概念は生徒の直感に反するため、なかなか定着しにくいものです。実際、大学入学共通テストのプレテスト（第2回）でもこの点が問われ、正答率がわずか19.7%という結果でした。
３の問題ですね。
これは、等速直線運動が、日常の経験からかけ離れた物理現象であり、ガリレオがこの概念に気づいたことがいかに革新的であったかを物語っています。この授業の狙いは、生徒が「等速直線運動を実現する」という探究的な活動を通して、運動を捉える認識の深化を図ることです。これまでの学習で、生徒は運動を「静止」と「動く」に分け、「動く」をさらに「向きや速さが変化するかどうか」で捉えています。そして前時までに、水平面上での運動は等速直線運動になるはずだと学習しているわけです。
しかし、実際の実験データを見ると、運動は常に減速（負の加速）していることに生徒は気づきます。そこで、ここが勝負どころ。「なぜ減速するのか？」「どうすれば減速しないのか？」を考えることで、生徒は班員と協力して、摩擦力や空気抵抗を小さくする仮説や、それらの抵抗力とつり合う力を働かせる仮説を立て、実験計画を行います。この「等速直線運動を実現する」という課題の下、生徒自身が探究活動を行うのです。
ここにデジタル記録タイマーｄを用いることで、記録テープを切って貼るという「工作の時間」を短縮し、V-tグラフを瞬時に確認できます。これにより、生徒は仮説→実行→改善のサイクルを何度も繰り返すことができ、より多くの気づきを得ることが可能になります。
デジタル記録タイマーｄ
生徒たちの創造力が爆発！試行錯誤から生まれる科学的思考
具体的な実践の方法については、この記事の最後にある指導案をご覧ください。今回の探究のレベルは、レベル３の導かれた探究です。問いの投げかけまでを教員で行って、その後の手続き以降は生徒自身が考えていくという内容です。
Banchi &Bell(2008)
また探究の過程で重視をしたポイントとして、「課題の探究」です。実際にやってみる中で得られる気づきを大切にします。何度も繰り返せるような取り組みです（記録タイマーｄが活躍する理由です）。
初めに等速直線運動になっていないという事実に気づかせて、その後仮説立てをして、実際に検証方法を個人と、班で考えて、必要なものの準備等をさせます。この時間は短く１５分程度で終えておきましょう。今回の実践は実際に手を動かしながら気づかせるということがポイントであるためです。そして次回の授業で実際に試させます。
当日の教室は、まさに「小さな発明大会」のような光景でした。生徒たちには、「どんな方法でもいいから等速直線運動を目指す」という目標だけを提示し、記録タイマーや力学台車に加え、理科室の備品は全て使用OK、さらには自宅からの持ち込みもOKと伝えました。このようにして、生徒の創造力を最大限に引き出す環境を整えたのです。
生徒たちのアイデアと工夫は、実に多様でした。
- 「摩擦力を小さくしたい！」という直感的アプローチ：
• アルミ箔やガラスの板を敷く班
→ 力学台車の下にアルミ箔。理由を聞くと「摩擦力を小さくしたい」とのこと。理にかなっています。
・頭を尖らせる班
• 机の上に油を引く班
→ 実際にベビーオイルやサラダ油を使う班も登場。教師としてはややハラハラですが、発想は見事。
・レールを敷く班
• 力学台車の下に氷を置く班
→ 「氷の上は滑るから！」という直感的な発想。冷蔵庫から保冷剤を持参するなど、気合の入った班も。
- 「合力をゼロにすればいい！」という高度なアプローチ：
• 模型の車を使って引っ張ろうとする班
• 緩やかな斜面を利用する班
→ 斜面上に置いて滑らせ、摩擦力と重力の斜面成分がつり合うように調整。「合力を0にする」という高度な考え方もちらほら。
ホワイトボードの上で緩やかな斜面を作る班
よくみると記録タイマーのテープが細くなっていて、摩擦を減らそうと工夫していました。
別のおもりで引っ張ろうとする班
２つの台車を連結して、台車の質量を増やそうとする班
（写真：研究紀要より）ホワイトボードの上で緩やかな斜面を作る班のV-tグラフは、確かに減速が少なく、理想的な等速直線運動に近づいていることが見て取れました。
それぞれの班の工夫と生徒の結果例のPDFはこちらをご覧ください。
生徒が自然にたどりつく「合力＝０」の真理
次の時間には、生徒たちが工夫した内容をカード教材にして、それぞれの班がどのようなアプローチをしたのかを、力と運動という観点から分類させてみました。
様々な意見が出ましたが、生徒たちは最終的に、自分たちの工夫を大きく次の2つに分類しました。
- 摩擦力などの抵抗力をできるだけ小さくする方法
- 他の力と釣り合わせて合力を0にする方法
教科書の慣性の法則には「力が働かないか、または働く力の合力が０の場合、等速直線運動をする」と書かれていますが、これがなかなかピンとこないものです。しかし、この探究活動を通して、生徒たちは「合力が0のとき、等速直線運動になる」という事実を、体感として理解する貴重な機会を得られたのです。
さらに、この学びは既習の「静止しているとき、物体に働いている力はつりあっている」という知識と結びつきます。生徒は、静止とは等速直線運動において速さが0の場合である、と認識を深めることができるでしょう。これにより、運動を「運動が変化するかしないか」、すなわち「力がつり合っているか、合力≠0か」という観点で捉えることができるようになり、慣性の法則の学習へとより深い学びとして繋がっていきます。
「等速直線運動」を“体感”できる授業の意義
この授業は、単に知識を教えるだけでなく、生徒が試行錯誤を通して運動の本質に気づくきっかけを与える、非常に楽しく意義のある実践だと感じました。
- 「等速直線運動」の本質を体感的に理解できる 生徒は「速さが変わらない運動」だと頭では理解していても、実験を通じて実際には“完璧な”等速直線運動を作ることが非常に難しいことを知ります。ここから「なぜ難しいのか」「どうすれば実現できるのか」という問いに自ら向き合い、力と運動の関係（特に合力＝0）を実感として理解していきます。また宇宙の状態として、無重力ということはなく、無重量であるなどの、言葉の違いなどに気づく生徒も出てきます。
- 課題解決型の学び（探究的な学び）を促す 「どうすれば本当に等速直線運動になるか？」という問いを軸に、生徒が自分たちで仮説を立て、試行錯誤しながら検証します。これは単なる再現実験ではなく、問題解決型・探究型の理科学習として非常に価値のあるプロセスです。デジタル記録タイマーのおかげで、何度も実験と改善を繰り返せる点も大きなメリットでした。
- 創意工夫による「科学的な思考」の育成 アルミ箔、氷、油、模型の車、斜面など、班ごとに道具やアイデアを持ち寄って工夫します。これは科学的な観察・考察・試行の連続であり、正解が一つではない問いに取り組む中で、思考力・判断力・表現力の育成にもつながります。
- 生徒同士の対話や意見交換が活性化する 各班が独自のアプローチをするため、実験結果を共有・比較することで自然と科学的な議論が生まれます。「どの方法が一番うまくいったのか？」「それはなぜか？」といった話し合いを通じて、学びがより深まります。
- 生徒の主体性と理科への興味・関心を高める 自分の発想で準備し、実験し、データをとって考察するというプロセスは、生徒の主体性を高めるだけでなく、「もっとこうしたらどうか」「これも試してみたい」という理科的な好奇心や探究心を引き出すきっかけになります。
このように、本実践は単なる運動の実験を超え、科学的思考力の育成と深い概念理解の両立を可能にする授業モデルといえます。理科教師として「教える」だけでなく「学ばせる」授業を目指す上で、非常に意義のある取り組みです。「授業が終わってからも、どうすればもっと滑らせられるか考えてた」なんて声が聞こえてくると、教師としてこれほど嬉しいことはありません。机の上にアルミ箔や氷が転がる、そんな風景が、きっと生徒たちの記憶に深く刻まれる授業になるでしょう。
各種資料について
ワークシート ワークシート例：等速直線運動の実現
指導案 指導案例：等速直線運動の実現
アンケート結果より
等速直線運動について知っていることを書いてください
事前アンケート
・摩擦力を考えない。
・直線に同じ速さで運動する。
・x=vtで表される。
・摩擦や空気抵抗は無視する場合が多い。
・加速度a=0の等加速度直線運動ともいえる。
・一定に進みつづける運動。
・速度を変えず、力の加えられた方向へ直進し続ける運動。
・一定の速さで進み続ける。
・地球上では摩擦などでだんだん減速していく。
・物理で習う。
・一定の速さで物が動くこと。
・真っすぐ速度を変えずに進むこと。
・平らなところで同じ力で物を動かすと等しい速さで直線的に動く。
・物体が摩擦がないと考えたときに、一定の速度で平面上を移動すること。
・物体に力が一切加わっていないとき、物体が一定の向きに一定の速度で動き続けること。
・宇宙空間では物体は等速直線運動をする。
・摩擦０のとき・つり合っているときや力がはたらいていないとき等速直線運動する。
・x=vtで表すことができる。
・A（加速度）が加わらない。
・時間がたっても速度や運動の向きが変化しない運動。
・直線運動している物に力が加わらなければ止まらない。
・加速度のない運動。
・一定の速さである。
・力の大きさ、力の向きが変わらない運動のこと。
・ボウリングの玉もこの動きする。
・ずっと変わらない速度で直線上を物体が動くことであり、現実では空気抵抗などの力がはたらき等速直線運動はしない。
・摩擦、空気抵抗がなければ物体はそのままの運動を続ける。
・加速度が０。
・速度が一定。
・同じ速度で進み続ける運動。
・加速度は０である。
・一定の速度で動く運動。
・地球上には空気が荒田目に自然界で見れない。
・時間ｔが変位ｘに比例する。
・加速度が０。
・等速で直線に運動する。
・現実にはほぼ不可能である。
・物体はまさつのない平面を同速で真っ直ぐ移動する。
・一定の速さで物体が移動する。
・同じ時間で同じ距離だけ物体が運動する。
・同じ速度でずっと動く。
・またはていししている。
・津波も同じ原理でおこっている。
・外部からのえいきょうをうけないかぎり、おわらない運動。
・V0=V1が成立する運動。
・まさつやていこうが無い環境下での物体の運動。
事後アンケート
・等速直線運動はVo=V1の運動、合力がゼロであること。
・今までてっきり等速直線運動の速さは等しいと思っていたため、合力を０にしなければ速さは等しくなく、減速してしまうということがわかりました。
・合力を０にする。ということが等速直線運動において大切だということが実感できた。
・教科書に書いてあった等速直線運動はつくられた状況の中のものであると分かった。
・実際に教科書通りになっている事象は少ないのではないかと考えた。
・等速直線運動を実現するためには、合力を０にすることが大切であるということ。
・合力が０になったときの運動。
・まさつや空気抵抗がある地球上でも近いことはできる。
・等速直線運動をしている物体は合力が０になっている。
・空気も摩擦もない宇宙だったら等速直線運動ができるはず。
・合力が０
・現実では非常に再現が困難であること。
・摩擦や重力などが威力は少ない方が良いこと。
・摩擦と空気抵抗の影響で負の加速度が生じている。
・それらの影響を最小限に留めることで加速度が０に近づく。
・人間の手によって限りなく近い再現が可能なものである。
・再現しようとした場合、まさつと空気抵抗がネックになる。
・学校で実験をしたときは少し傾きがある等速直線運動だったのですが、それは台車などに力が働いていたからだと思いました。
・外力の合計を０にする方法と、外力を小さくする方法があること。
・人力が一番よかった（みたい）。
・抵抗、摩擦を小さくして、外力との力を０にする必要がある。
・等速直線運動の概念、どのような要素をいれれば実現できるかなど
・今まで文字でしか理解していなかった等速直線運動の条件を実際に実験することを通して、目に見えて外部から加わる力の影響を知ることができた。
・摩擦や垂直抗力が働いてなかなかきれいにできないもの。
・教科書ではないも書かれていない速度の減速について知ることができた。
・力がはたいていないとき合力０。
・ほかからの力を無くしたり、合力を０にさせたりすることで、きれいな等速直線運動になる。
・合力が０のときに等速直線運動することがわかった。
・等速直線運動は物体が受けている力が実質０の状態なのだと気づいた。
・地上ではどうしても摩擦などの力がかかってしまうから、それを相殺すればよい。
・中学の教科書で教えられていた等速直線運動は本当のものではないということが分かった。
・今までに学んだことを別の手段を用いて実験することができた点。
・物体の合力が０である。
・加速度が０。
・速度が一定である。
・その運動を続けようとする。
・実際、この世の物体は「等速直線運動」をしていない（場合が多い）。
・摩擦力と空気抵抗をなるべくなくす。
・合力が０のものが等速直線運動をする。
・外からの力によってだんだん減速していく。
・摩擦力と運動の向きに加えた力と合力を０にすることが最適である。
事前と事後アンケートから生徒の変化を検討すると
事前アンケートでは、多くの生徒が等速直線運動を以下のように、教科書で学んだ定義通りに理解していました。
- 特徴:「一定の速さでまっすぐ進む運動」「加速度が0」「x=vtで表される」といった、基本的な定義や公式を正しく認識している。
- 条件:「摩擦や空気抵抗がない」「力が働かない、またはつり合っている」という、理想的な条件下で起こる現象だと理解している。
- 現実との関連:「現実にはほぼ不可能」「宇宙空間ならできる」など、理想状態と現実世界との間には隔たりがあることも認識している。
この段階では、主に知識として暗記している状態と言えます。
事後：体験を通した本質的な理解の段階
実験などを経た事後アンケートでは、理解が大きく変化・深化しています。特に目立つのは以下の点です。
- 「合力がゼロ」という概念の定着 事前には「力が働かない」という表現が多かったのに対し、事後では**「合力がゼロ」**という、より物理学的で本質的な言葉を使って説明する回答が圧倒的に増えました。これは、複数の力が働いていても、それらが打ち消しあっていれば等速直線運動が実現することを理解したことを示しています。
- 現実世界で実現するための視点 「現実では不可能」という認識から一歩進み、「どうすれば実現できるか」という実践的・探求的な視点が生まれています。「摩擦や空気抵抗を小さくする」「力を加えて摩擦力と相殺する」といった、具体的な方法論に言及する回答が多く見られます。
- 実験による実感 「実験を通して」「目に見えて影響を知ることができた」といった記述から、知識が体験と結びついたことがわかります。実験がうまくいかなかった経験（「なかなかきれいにできない」）を通して、理論通りにはいかない現実の要因（摩擦・空気抵抗）の存在を強く実感し、「合力をゼロにすること」の難しさと重要性を肌で感じ取っています。
- 知識への批判的な視点 「教科書に書いてあるのは作られた状況」「中学で習ったものは本当のものではなかった」など、学んだ知識を鵜呑みにせず、理想的なモデルと現実の現象とを区別して捉える批判的な思考が芽生えています。
今回のアンケート結果の変化は、生徒の皆さんの学びが以下のステップで深化したことを示しています。
【事前】 教科書的な知識として等速直線運動を理解している。
↓
【事後】 実験という体験を通して、理想と現実のギャップを知り、「合力がゼロ」という本質を実感として理解するに至った。
総じて、事後のアンケートでは、より深く、より実践的な学びが形成されたことが明確に見て取れます。
その他感想（自由記述欄）より
・万人受けというか科学の探究の入口的なものとして優秀でしたね。
・サイコーでした。
・特に油とガイドをつかって良い結果を出せたときの達成感を感じることができて嬉しかったです。
・チームメイトと話し合いながら問題を解決していくのが楽しかった。
・紙面上のデータから問題を解くことが楽しいが、自分の考えた仮説から検証計画をたて、グループで話し合いをし、課題を解決していくことが楽しかった。
・参加する側が主体的に行動することが多かったので、とても楽しく感じた。（一方的な情報の受け取りでは少しつまらないため）
・桑子先生がとても明るくこちらも笑顔になった。
・とても充実した時間を過ごせたと思います。
・かなり楽しかった。
・一方、理論上のことを実現することの難しさをひしひしと感じた。
・実験を行う際は失敗する前提で進めた方が良い。
・実験結果から発展しにくいことをするとよりよい結果につながりにくい。
・初対面の人と協力して実験ができてよかった。
・「探究の方法」についてうまくいく方法などを考えることが興味深かった。
・このような自由な実験は初めてだったため非常に良い経験になりました。
・実験を通して「探究」の流れに触れることができた。
・普段の学校での実験とは違った雰囲気で新鮮な気持ちで取り組めた。
・グループワークの有意義さをまだ高校生のうちに、ようやく理解できてよかった。
・大学での研究もグループでやってみたい。
・本当にありがとうございました。
・学校で等速直線運動の実験をした時から、グラフでは等速ではないのになぜ等速直線運動と言っているのだろうと疑問に思ていたので、なぞが解けてよかったです。
・他者と課題について考えることがなかなかないので楽しかった。
・実践形式でとても面白かった。
・みんなと考えながら１つの課題に向き合おうとするのは身につくと思うし、記憶に残るのではないかと感じた。
・チームでtrial and errorで色々な方法を考える実験などなかなか私の学校では行われないので楽しかったです。
・他の人とのアイデア出しがとても楽しかった。
・はじめの自分が考えていなかったような結果になったが理解が深まった気がする。
・みんなでやって楽しかった。
・新たな考えが生まれた。
・探求のループをしていくのを実際にやってみて、大変さや少しずつ完成に近づいていく楽しさを知れた。
・物理はあまり好きではないけど実験を通して楽しく学ぶことができて、少し興味がわきました。
・色々なことが出来てとても楽しかった。
・やりたいことをやらせてもらえてうれしかった。
・協力しながら仮説を立て、実験することができ、とても楽しかったです。
・とても有意義な時間を過ごすことができました。
・中学校のころに学んだ等速直線運動についてより深く学べました。
・チームワークが多く、さまざまなアイデアが出てきて面白かったです。
・みんなで協力してv-tグラフをつくることができ、色々な人の考えや仮説をきけて楽しかったです。
・仲間と協力して問題を解決することができて良かった。
・探究の楽しさがわかりました。
・また、課題を解決するために仮説、実験、相殺を繰り返すことが大切だとわかりました。
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