(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体が滑り摩擦をほぼ０（ゼロ）として基板を滑り移動又は回転出来る実験装置であって、平坦な上記基板の上に外径０．５ｍｍ以下の球を散りばめ、そして該基板を傾斜させ、該傾斜基板は上記球との間に分子間力や静電気が発生しやすいプラスチック材を使用して球が傾斜基板から転がり落ちないようにしたことを特徴とする物理学の実験装置。
【請求項２】
物体が滑り摩擦をほぼ０（ゼロ）として基板を滑り移動又は回転出来る実験装置であって、上記基板は滑らかな凹凸面とし、この基板上に外径０．５ｍｍ以下の球を散りばめ、該基板は上記球との間に分子間力や静電気が発生しやすいプラスチック材を使用して球が上記凸面から転がり落ちないようにしたことを特徴とする物理学の実験装置。
【請求項３】
物体が滑り摩擦をほぼ０（ゼロ）として基板を滑り移動又は回転出来る実験装置であって、平坦な上記基板を円板とし回転可能に軸支し、その上に外径０．５ｍｍ以下の球を散りばめたことを特徴とする物理学の実験装置。
【請求項４】
上記基板の外周にゴムバンド、ガラス板、金属板などから成る縁を設けた請求項１、請求項２、又は請求項３記載の物理学の実験装置。
【請求項５】
上記球の材質としてプラスチック材を用いた請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４記載の物理学の実験装置。
【請求項６】
上記基板面の湿気を除去する為に、裏面側にヒータを取付けた請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５記載の物理学の実験装置。
【請求項７】
上記物体の運動軌跡をデジタルカメラで記録する為に、該物体中に発光ダイオードを取付けると共に一定間隔で間欠的に点滅するように電子回路を設けた請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、又は請求項６記載の物理学の実験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理学、特に力学又は電磁気学を理解する為の実験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
力学分野の概念形成は、物理学を学ぶ上で最も基本的かつ重要である。しかし、摩擦が影響する条件下では、自然な運動の様子を観察することは難しくなる。また、物体の運動そのものの様子は、短時間で終了してしまうことも観察を難しくさせる。例えば、Ｆ＝Ｍα（Ｆ：力、  Ｍ：質量、α：加速度）で表される運動第２の法則を実験で確認することが出来ればその理解は早く、しかも理解度は深まる。
【０００３】
運動を観察する為の装置としては、力学台車やエアトラック、又はドライアイスなどを使って実験を行うことが一般的となっている。しかし、こうした特殊な実験装置を使用しての運動実験は、一般的な現象として子どもたちが理解するのは難しい。すなわち、特種装置が介在することで本質的な運動の理解を阻害してしまう。また、エアトラックのような高価な実験装置は、コスト面での大きな負担となり、学校での使用は容易ではない場合が多い。
【０００４】
従来、外径数ミリの金属製ボールベアリングを平坦な基板に敷詰め、このボールベアリングの上に物体を載せて転がす実験装置が知られている。ボールベアリング上に載った物体は基板との摩擦を伴うことなく移動することが出来、その為に上記運動第２の法則をこの実験装置を使用して体感し、理解することが出来る。しかし、該実験装置に用いられる金属製のボールベアリングは外径が数ミリの大きさであると共にその重量も重く、その為に物体の移動に伴って回転する際の慣性が影響する。又、外径が数ミリのボールベアリングでは、基板を僅かに傾けるだけで転がり落ちるために、該基板を傾斜しての実験は不可能である。
【０００５】
従って、運動の法則と実験結果が正確に一致しなく、理解するに疑問が残る。一方、この実験装置が適用できる運動はあくまでも水平面での運動のような一部に限られ、重力の加速度ｇを理解する為の落下運動や斜面上での物体の運動を確認する実験には適用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、物体の運動を確認する為の実験装置には上記のごとき問題がある。本発明が解決しようとする課題はこれら問題点であり、極めてシンプルな装置にてあらゆる運動を確認して、理論式と対比することが出来る物理学の実験装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る物理学の実験装置とは、平坦な基板上に極めて小さな球を散りばめたもので、この小さな球を介して物体が基板上を滑り移動するように構成したものである。ここで、球の材質は金属製、樹脂製、セラミック製などが用いられ、限定するものではない。そして、大きさは外径が０．５ｍｍ以下とし、基板を傾斜しても分子間力や静電気の影響にて転がることがない大きさである。そして、基板上に散りばめられる球の個数は、少なくとも３点で上に載る物体を支えることが出来る密度が必要である。
【０００８】
そして、球に載って滑り移動する物体が基板から外にはみ出すことがないように、又物体が衝突しても運動エネルギーを失わないように外周は枠組みした縁を設けている。例えば、伸縮するゴムバンドを張着したり、金属板を起立することが出来る。又、基板の大きさ・形状は自由であり、一般には四角形を成しているが、回転する円板とする場合もあり、しかも物体の回転だけが許容できるように外周に縁を起立して小さな枠組みとする場合もある。さらに、基板を斜めに傾斜する場合、更には滑らかな凹凸面を有す基板とする場合もある。
【０００９】
本発明では該実験装置を使用して、慣性の法則（運動第１の法則）、力と加速度の法則（運動第２の法則）、落下運動、運動量保存の法則、作用・反作用の法則（運動第３の法則）、位置エネルギーと運動エネルギーの変換法則、遠心力やコリオリの力など、あらゆる運動の法則を確認する為の実験を行うことが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る物理学の実験装置は、０．５ｍｍ以下の小さな球を基板上に散りばめたものであり、これら球に載った物体は摩擦を伴うことなく滑り移動することが出来る。すなわち、球が回転することで摩擦を伴わないで基板上を物体が滑り移動及び回転することで、色々な運動実験を行うことが可能である。微小な球が基板上に存在するだけで従来のような特殊な装置ではなく、物体の底が滑らかで比較的軽い身の回り品を用いても、理論予測に近い真の運動を直接確認することが可能となり、運動の法則を理解する上で効果的である。
【００１１】
そして、球は非常に小さい為に、物体の移動に伴う回転運動の慣性の影響は殆どなく、運動の法則とほぼ一致する正確な実験結果を得ることが出来る。さらに、微小な球であり軽いことから、基板との間に働く分子間力や静電気の影響で、該基板を傾斜しても転がり落ちることはなく、その為に、基板を傾斜することで落下運動や傾斜面上での運動実験に利用でき、しかも物体の運動が非常にゆっくり観察できる為に物理現象をより理解し易くなる。さらに、滑らかな凹凸基板上に球を散りばめ、この凹凸基板上を物体が滑り移動することで、位置エネルギーと運動エネルギーの関係を理解することも出来る。
【実施例】
【００１２】
図１は本発明に係る物理学の実験装置の概要を示している。同図の１は基板、２はプラスチック製の微小ビーズ、３は物体を表しており、物体３は微小ビーズ２，２・・の上に載っている。微小ビーズ２の形状は球体であり、その大きさは約０．３ｍｍとしている。約０．３ｍｍの大きさの微小ビーズ２は肉眼では細かい粉状の粒子であり、四角形をした基板１に散りばめられている。勿論、均一である必要はなく、物体３が移動しても常に３個以上の微小ビーズ２，２・・が平坦な底面に存在すればよい。ここで、移動物体３の材質や形状、大きさを限定することはしないが、一般的には余り重くなく、数十グラムから１００グラム程度で、底面が滑らかなものを使用することで現象をより良く再現できる。
【００１３】
このように、物体３が微小ビーズ２，２・・に載って移動するならば、微小ビーズ２，２・・が回転することで基板１との間に滑り摩擦はなく、摩擦を無視した滑り運動を具現することが出来る。この場合、実験する室内の湿度が微小ビーズの転がり摩擦に大きく影響することから、エタノールを含んだ布で基板表面の汚れを拭き取り、ドライヤーで表面を十分に乾燥させる必要がある。微小ビーズ２，２・・も、湿気を帯びないようにデシケーター内に収容して乾燥状態に保つことが必要である。
【００１４】
基板表面に湿気や汚れがなく、微小ビーズが乾燥された状態では、静止摩擦係数は約０．００３程度となる。この微小ビーズ２，２・・約４．５ｇ分を１ｍ四方の基板１に均等にばら撒くならば、微小ビーズ２，２・・の密度は１ｃｍ２当り３０個程度と成る。微小ビーズ２，２・・は球体であり、その外径は等しく成っているが、完全に等しくなることはない為に適当な個数にて物体３が支えられる。理論上は少なくとも３個の微小ビーズ２，２・・が物体３の底にあればよい。
【００１５】
以下、物理学において学習する運動の法則を理解する為に、本発明に係る実験装置を用いて説明する。ここで、物体３の運動の様子を定量的に捉える為にストロボを用いてデジタルカメラにて記録している。ストロボは株式会社菅原研究所から販売されている「ストロボスコープＴＹＰＥ  ＰＳ−２４０」を使用し、閃光周波数は１．４〜４４０Ｈｚである。例えば、安価の方法としては、物体３の中に発光ダイオードを埋着すると共に一定間隔で間欠的に点滅するように電子回路を設け、それを移動させてデジタルカメラで発光点の軌跡を記録することが可能である。
【００１６】
(１)等速直線運動
図２は物体３としてアルミ製円盤の等速直線運動の様子を記録したものである。ストロボの間隔は３Ｈｚ、デジタルカメラの露光時間を２秒にして記録を行った。同図から明らかなように、ストロボの間隔ごとに同じ距離だけ進んでいることがよく分かる。実際、裸眼での観察時も、物体３は滑らかに等速で移動していることが分かる。ストロボ点灯間隔は０．３３秒であり、物体の平均の移動距離は、約１２ｃｍであるから、速度を算出すると、３６ｃｍ／Ｓであった。このように、摩擦がなければ、物体３は一定速度で直進することが理解できる。
【００１７】
(２)壁との衝突
図３はアルミ製の円盤状物体３をガラス製の縁４に当てたときの衝突の様子である。ストロボ間隔及びデジタルカメラの露光時間とも等速直線運動のときと同じく、３Ｈｚ、２秒で実験を行った。上記等速直線運動の場合と同様、衝突前 、衝突後の速度がそれぞれ一定であるが、縁４との衝突によって、衝突前に比べて衝突後の速度がわずかに小さくなっている。これは、物体３とガラス製の縁４との衝突によって非弾性衝突を起こし、運動エネルギーの一部が失われたためであり、この実験から容易に跳ね返り係数を求めることが出来る。完全弾性衝突を実現するには、縁４を高剛性の金属板に変えるか高弾性のゴムバンドにする必要があるであろう。
【００１８】
(３)物体の衝突
質量が同じ２つのアルミ製円盤の物体を用意し、片方を静止させ、もう片方に速度を与え、正面衝突させる実験を行った。その結果、衝突後、動いていたアルミ製円盤は静止し、衝突を受けたアルミ製円盤は同じ速さで動き出すことが観察できた。図４は物体３であるアルミ製円盤を２つ用いて斜め方向から衝突させたときの様子である。ストロボ間隔、露光時間は、３Ｈｚ、２秒である。それぞれのアルミ製円盤物体３ａ，３ｂに注目すると、衝突の前後で速度が変化している。同図から速度を算出してみると、×印のアルミ製円盤物体３ａの場合は、衝突前は４４．５ｃｍ／ｓ、衝突後は２６．０ｃｍ／ｓと速度が減少している。また、○印のアルミ円盤物体３ｂの場合は、衝突前が３４．０ｃｍ／ｓ、衝突後が４９．５ｃｍ／ｓと速度が増加している。こうしたことからも、衝突によるエネルギーのやり取りを効果的に観察することができ、運動量保存の法則を理解することが可能と成る。
【００１９】
(４)等加速度直線運動
図５は微小ビーズ２，２・・を撒いた基板１を０．８°傾け、その斜面を用いてアルミ製円盤物体３を加速度運動させたときの様子である。基板１の傾きによって斜面方向の加速度は、垂直方向の重力加速度ｇのｓｉｎθ倍となり、ｇ・ｓｉｎθとなる。例えば、θ＝１°のとき、見かけの落下加速度は約１／６０である。この実験ではカメラの露光時間を４秒と長くし、急速に変化する運動の初期状態を効果的に撮影できるように、ストロボの間隔を４Ｈｚにした。
この図５は写真を基に作成しているが、アルミ製円盤物体３の速度が徐々に増していることが分かる。同図から、時間と平均速度の関係をグラフ化したのが図６であり、このグラフの傾きから加速度を算出すると０．１３１ｍ／ｓ２となる。
これは理論値から導き出した加速度ｇ・ｓｉｎθの値０．１３７ｍ／ｓ２に良く一致している。また、図７に示すグラフには、時間と始点から進んだ距離との関係を掲載した。こちらも理論通り２次関数の形を示している。こうしたことからも本発明に係る装置を用いての実験法は、ゆっくりと物体３の運動を観察できるだけでなく、必要に応じて定量的な実験を行うことが可能であることが分かる。この実験においては普通のストップウオッチを用いて計測することが十分に可能である。
【００２０】
(５)運動の第２法則（Ｆ＝ｍａ）
図８は質量ｍの物体３を基板１の上に載せて、重り２０ｇと細い糸５で連結した実験装置であり、物体３は滑車６を介して糸５にて引っ張られている。勿論、基板１の表面には微小ビーズ２，２・・が散りばめられていることで、物体３の移動に伴う滑り摩擦は無視される。上記物体３には常に一定の力２０ｇが働き、その為に物体３が移動を開始すると、その速度は次第に速くなる。
図９はこの場合の時間と速度の関係を表したグラフである。物体３の速度は各時間ごとに速度測定器を使用して測定することが出来、時間と速度の関係は直線で表され、この直線の傾きは加速度と成る。物体３の質量はｍ＝４８．８ｇ、ｍ＝９８．８ｇ、ｍ＝１４８．８ｇ、ｍ＝２４８．８ｇの４種類を使用している。軽い質量の物体３の方が加速度は大きくて、移動速度は短時間で速くなり、質量の大きな物体３の加速度は小さくて、その移動速度が速くなるには時間がかかる。
図１０は物体３の質量ｍと加速度ａの関係を示すグラフである。このグラフから質量（ｍ）×加速度（ａ）はほぼ一定となり、運動の第２法則が成立することが理解できる。
【００２１】
(６)作用・反作用の法則（運動の第３法則）
高等学校の物理学の教科書では、作用・反作用の法則について「作用の力と反作用の力は、大きさが等しく向きは反対である。」と記載している。これを理解する為に同じバネ定数の２本のコイルバネを直列に連結した装置を用いる。そして、一方端を固定し他方端を所定の力で引っ張るならば、両コイルバネは伸びることが出来る。この場合、両コイルバネの伸びは等しくなり、連結点において向きが反対の等しい力が作用していると一応理解することが出来る。
しかし、本発明の実験装置を用いることで、作用・反作用の法則をより容易に理解できる。図１１は本発明の実験装置であり、微小ビーズ２，２・・を表面に散りばめた基板１の上には物体３ａと物体３ｂを準備し、各物体３ａ，３ｂはガラスシャーレ７に磁石８を載せたものである。静止状態にある一方の物体３ｂに対して、他方の物体３ａを移動して近づけるならば、ガラスシャーレ７に載っている磁石８の作用で互いに離れる方向へ移動する。ここで、ガラスシャーレ７，７に載っている磁石８，８は同じ極同士が向き合うように配置されていることで、物体３ａが近づくと両磁石８，８の反発力にて両物体３ａ，３ｂは離れていく。
この実験には、棒磁石より同図のような小さくて強力なネオジウム磁石をガラスシャーレの中に配置すると非常に効果的に演示出来る。
【００２２】
(７)モンキーハンティング
物体３の落下運動を説明する面白い課題として、モンキーハンティングは高校のどの物理の教科書にも載っているが、図１２はモンキーハンティングをする場合の弾丸とサルの軌跡を示している。Ａ点に居るサルを狙う場合、サルが落下してもＡ点を狙って撃つことで弾丸はサルに当る。このことを実験で確認することが出来る。基板１を僅かに傾斜して配置し、サルの代わりに物体３ａをＡ点に置き、該物体３ａを手放すと同時に別のＯ点から物体３ｂをＡ点を狙って押し出す。
Ａ点に置いた物体３ａは真っ直ぐに降下し、Ｏ点から押し出された別の物体３ｂは同図のように放物線を画いて水平方向へ移動する。そして、点７にて物体３ａに物体３ｂは衝突する。すなわち、物体３ｂは水平方向の速度成分を有しているが、垂直下方への速度成分は物体３ａと等しくなり、点７にて両物体３ａ，３ｂが衝突することが確認できる。この実験では重力加速度ｇがｇ・ｓｉｎθと小さくなっているので、現象をゆっくり観察することが出来る。
【００２３】
(８)最大到達距離をもたらす発射角度
ボールや弾丸を最も遠くまで飛ばすには、その発射角度が４５°であることが理論上導き出すことが出来る。本発明の実験装置を用いることで、この最大到達距離ＸMAXを実験にて確認することが可能である。この場合も重力加速度ｇがｇ・ｓｉｎθと小さく成っているので、十分ゆっくり運動の確認が出来る。
基板１に微小ビーズ２，２・・を散りばめ、そしてこの基板１を僅かに傾斜させ（例えば約１°）て、基点Ｏから斜め上方へ物体３を押し出す。物体３は重力の作用を受けながら放物線を描いて滑り移動し、基点Ｏから距離Ｘ地点に到達するが、この様子を表しているのが図１３である。同図より、押出し傾斜角度を１５°、３０°、４５°、６０°、７５°とし、押出し速度Ｖ０を一定とした場合、４５°の傾斜角度で押出した時が最大の到達距離ＸMAXとなる。同図には理論計算を合わせて記載している通り、ｓｉｎ２θが最も大きくなるのはθ＝４５°の時であり、その時に到達距離Ｘは最大となり、実験結果と一致する。勿論、これは微小ビーズ２，２・・の上を物体３が滑り移動することで、摩擦がほぼＯの状態となるためである。
【００２４】
(９)遠心力の確認
図１４は物体３が回転すると回転中心から外方向へ作用する遠心力が発生することを確かめる実験装置である。基板１は前記実施例のように固定されておらず、その形状は大きな円板形状として回転する。この回転円板９上には微小ビーズ２，２・・が散りばめられ、そして中心から半径方向（放射状）に延びるバー１０が載置され、このバー１０に近接して物体３が置かれている。ここで、バー１０は回転円板９に固定され、円板９が回転するならば物体３はバー１０に当って共に回転する。この場合、回転に伴って遠心力が発生する為に、物体３は半径外方向へ移動する。遠心力Ｆ＝ｍｒω２で表されるが、この理論式も本発明に係る実験装置を使用して確認することは可能である。また、物体３がバー１０の先端から離れるとコリオリの力が働き、物体３の軌道は曲がる。
【００２５】
(10)位置エネルギーと運動エネルギーの関係
図１５は位置エネルギーが運動エネルギーに変換する場合の関係を示す実験装置である。高さｈ１にある物体３が傾斜した基板１ａから滑り降りて水平な基板１ｂに到達する。物体３の質量をｍとした場合の位置エネルギーはｍｇｈ１であり、水平基板１ｂでの速度をｖとすれば、運動エネルギーはｍｖ２／２となる。そこで、この実験装置を用いることで、高さｈ１と速度ｖを測定すれば、ｍｖ２／２＝ｍｇｈ１の関係を確認することが可能である。勿論、この実験装置の傾斜した基板１ａ及び水平基板１ｂには微小ビーズ２，２・・が散りばめられ、物体３が滑り降りる際の摩擦を無くしている。ここで傾斜基板１ａは微小ビーズ２，２・・との間に分子間力や静電気が発生し易いプラスチック材が使用され、微小ビーズ２，２・・が基板１ａを転がり落ちることはない。
【００２６】
(11)磁界の高感度検出とモーターの仕組みの確認
我々が日常使っているコンパスは常に北−南を指している。このコンパスの原理を本発明の実験装置によって確認可能である。図１６は基板１の上に微小ビーズ２，２・・を散りばめ、その上にガラスシャーレ７を置き、ガラスシャーレ７の中には棒磁石１１を収容している。この棒磁石１１は地球の磁界に反応してその向きが変化し、ガラスシャーレ７と共に回転する。そこで、棒磁石１１の向きとコンパスの向きを比較すると完全に一致することが分かる。
一方、コイル１２に電流を流すことで発生する磁界は通常コンパスで検出される。しかし、この微小ビーズ２，２・・を散りばめた基板１の上に棒磁石１１を配置したガラスシャーレ７をコイル近くに置くならば、電流による磁界を受け、ガラスシャーレ７は動く。電流の方向を切り替えるとガラスシャーレ７の動く方向は逆に成る。この実験より電流が作る磁界を明確に理解できる。さらに、電流の方向を切り替えスイッチでタイミングよく切り替えるならば、棒磁石１１はモーターのごとくグルグルと回転し、モーターの仕組みを理解することが出来る。
【００２７】
ところで、本発明に係る実験装置を使用して力学の法則を確認することが出来る場合は他に数多く存在する。前記の実施例はあくまでも一部に過ぎず、これらに限定するものではない。例えば、力の合成、バネの単振動、等速円運動などを確認する上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る実験装置であり、基板面に散りばめた多数のビーズ上を移動する物体を表している。
【図２】本発明の実験装置を使用して、等速直線運動の確認。
【図３】本発明の実験装置を使用して、物体が壁に衝突する場合の様子。
【図４】本発明の実験装置を使用して、２つの物体が衝突する様子。
【図５】本発明の実験装置を使用して、等加速度直線運動の確認。
【図６】等加速度直線運動における、時間と平均速度の関係をグラフ化したもの。
【図７】等加速度直線運動における、時間と移動距離の関係。
【図８】運動の第２法則（Ｆ＝ｍａ）を確認する実験装置。
【図９】物体を所定の力で引いた場合の時間と速度の関係を表したグラフ。
【図１０】物体を所定の力で引いた場合の質量と加速度の関係を表したグラフ。
【図１１】作用・反作用の法則（運動の第３法則）を確認する実験装置。
【図１２】モンキーハンティングを確認する実験装置。
【図１３】最大到達距離の確認実験。
【図１４】遠心力の確認実験。
【図１５】位置エネルギーと運動エネルギーの関係を示す実験装置。
【図１６】モーターの原理を確認する実験装置。
【符号の説明】
【００２９】
１  基板
２  微小ビーズ
３  物体
４  縁
５  糸
６  滑車
７  ガラスシャーレ
８  磁石
９  円板
10  バー
11  棒磁石
12  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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