「その台車、本当に等速？」―生徒が挑む“完璧な等速直線運動”の探究授業
「完璧な等速直線運動」は実現できるのか？――生徒が試行錯誤する授業のすすめ
中学校の物理単元で登場する「等速直線運動」。この言葉、黒板で説明するのは簡単でも、実際に“完璧な”等速直線運動を実験で再現しようとすると、なかなか難しい。理論上は「加速度ゼロ、速度一定」なんてすっきりしているのに、現実の世界はそうはいきません。
「水平な机の上で力学台車を押して測定する」――これは多くの先生が授業で行っている定番の方法ですが、いざやってみると、台車はわずかに減速し始めてしまい、記録タイマーに残されたドットの間隔も並べてみると徐々に減速していることに気が付きます。
左のグラフがv-tグラフです。
記録タイマーdを使うと、水平床の上での台車の動きはこんな感じ。やはり徐々に下がっています。
実験後に生徒から「これ、本当に等速なんですか？」なんて鋭いツッコミが入ることも。実験が現実とズレるほど、理科の面白さと難しさが伝わるのですが、「じゃあどうしたら本物の等速直線運動になるのか？」と一歩踏み込ませたい――そんな先生方におすすめなのが、今回紹介する授業実践です。
■授業のテーマ：「完璧な等速直線運動を行うには？」
こ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？」。実践のきっかけは、同僚の吉本一紀先生が取り組んでいた授業が面白そうだったので、自分でもやってみたという経緯があります。まず、通常のように記録タイマーを使って力学台車を水平面で動かし、データを取って解析します。すると、多くの班がよくよくみると運動が「等速になっていない」ことに気づきます。この段階で問いかけます。
「じゃあ、実際問題として、どうしたら等速直線運動になるんだろう？」
この「どうすれば？」の問いを次回への課題として生徒に投げかけておきます。各班で工夫を凝らし、等速直線運動を追求しました。
■準備物と指示（授業の導入で伝えたこと）
• 記録タイマーと記録テープ
• 力学台車（またはそれに準ずるもの）
• 理科室の備品はすべて使用OKと伝える
• 自宅からの持ち込みもOK（保護者確認は念のため）
• 「どんな方法でもいいから等速直線運動を目指す」という目標を提示
このようにして、生徒の創造力を最大限引き出す環境を整えます。
■生徒の試行錯誤：アイデアと工夫の数々
当日、教室にはちょっとした発明大会のような光景が広がっていました。
• 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。
• 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
実際に緩やかな斜面を作った班のv-tグラフは次のようになりました。
「摩擦を減らす」といった直感的アプローチをするものもいれば、「合力をゼロにすればいいのでは？」という力のつり合いの考え方で解決しようとする班も現れるということです。
■生徒が自然にたどりつく「合力＝０」という考え方
次の時間に、生徒の工夫した部分をカード教材にして、どのような工夫をそれぞれの班でしていたのかを、力と運動という観点から、分類をさせてみました。
色々な意見が出てきましたが、どの班も
• 摩擦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
この2つに大別していました。等速直線運動になる条件として、教科書の慣性の法則の部分には「力が働かないか、または働く力の合力が０の場合」と言う条件が書かれていますが、これがなかなかピンとこない。「合力が0のとき、等速直線運動になる」これを、生徒たちが実感として理解できる貴重な機会になります。
■等速直線運動を“体感”できる授業
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、とても楽しく意義のある実践です。また繰り返し実験をすることができ、失敗から振り返って学ぶことができる実践でもあります。失敗を許す実験とも言えます。
「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くことができます。
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。また記録タイマーｄを使うことで、何度も何度も実践が繰り返せるようになりました。
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、嬉しくなってしまいますね。机の上にアルミ箔や氷が転がる、そんな風景が、きっと忘れられない授業になります。
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！
・運営者・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！
