(57)【要約】【課題】。複数の生徒に同時に分かり易く電磁誘導現象を説明することが可能な教材を提供するとともに、生徒自らが実験を通して主体的に電磁誘導現象を把握することの手助けとなる教材キットを提供することを目的とする。【解決手段】非磁性かつ高導電率の金属又は合金と、非磁性かつ低導電率の金属又は合金或いは絶縁材料と、を連結して支柱とし、該支柱の断面形状より所定の余裕を持った空間を有する所定厚みの磁石を嵌め込み、該支柱の両端に前記磁石を係止するストッパーを着脱可能にとりつけたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性かつ高導電率の金属又は合金と、非磁性かつ低導電率の金属又は合金或いは絶縁材料と、を連結して支柱とし、該支柱の断面形状より所定の余裕を持った空間を有する所定厚みの磁石を嵌め込み、該支柱の両端に前記磁石を係止するストッパーを着脱可能にとりつけたことを特徴とする理科実験キット。
【請求項２】
前記支柱は、前記金属又は合金或いは前記絶縁材料からなる円柱部材及び／又は円筒部材を連結したものであり、前記磁石はリング状であることを特徴とする請求項１に記載の理科実験キット。
【請求項３】
前記円柱部材又は円筒部材の両端に、連結のためのおねじ及びめねじが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の理科実験キット。
【請求項４】
前記ストッパーのそれには、前記おねじ又は前記めねじに螺合するめねじ又はおねじがそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項３に記載の理科実験キット。
【請求項５】
磁石は希土類系磁石であり、該支柱の断面形状より所定の余裕を持った空間を支柱表面より１．０〜３．０ｍｍ大きくしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の理科実験キット。
【請求項６】
前記支柱の一部に、磁石又は磁力強度可変の電磁石を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の理科実験キット。
【請求項７】
前記磁石の両面に緩衝材を配置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の実験キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生徒に電磁誘導現象を理解させるために用いる理科実験キットに関する。
【背景技術】
【０００２】
自然現象や法則を生徒に理解させる上で種々の実験キットが用いられる。例えば、電磁誘導現象に関しては、図５（ａ）に示す実験キットが用いられ、アルミニウムなどの非磁性かつ高導電率の金属からなるパイプ２０を垂直に立て、その内部に円柱状又は円板状のネオジウム磁石１０を落下させて、電磁誘導現象によって磁石が通常の自由落下運動とは異なる運動を行う様子を観察させるというものである。
【０００３】
しかし、この実験キットは、パイプ内を上から覗いて磁石の落下運動を観察するものであることから、全ての生徒が同時に観察・体験することができないという問題があった。また、鉛直方向の運動を真上から観察するものであるため、磁石の落下運動の違いを明確に実感するまでには至らず、インパクトに欠けるものであった。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、複数の生徒が同時に観測できるキットが開示されている。この実験キットは、図５（ｂ）に示すように、断面がコの字型のアルミニウム製レール２０及び円板状のネオジウム磁石１０で構成され、磁石をレールに沿って落下させて、その運動を観察するというものである。磁石が、通常の自由落下と比べて減速していることは分かるものの、減速の原因が、渦電流の発生によるものと生徒が確信して理解するに至るものではなかった。例えば、減速の原因が、磁石とレールの摩擦に起因するものでないかと疑問を呈する者もあったが、それに実験的に答えることはできなかった。このように、従来の実験キットは、生徒が抱く種々の疑問に答える十分な情報を提供することはできず、又体験することもできないことから、生徒が電誘導現象を主体的に理解する上で十分な教材とはいえないものであった。
【非特許文献１】アルミニウム板に接するネオジウム磁石の落下                    http://urap.org/forum/ashi/science//VorCur/vorcur.htm
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる状況の中で、本発明は、複数の生徒に同時に分かり易く電磁誘導現象を説明することが可能な教材を提供するとともに、生徒自らが実験を通して主体的に電磁誘導現象を把握することの手助けとなる理科実験キットを提供するために、非磁性、高導電率の金属と絶縁物の支柱を組み合わせることで、絶縁体支柱部分の磁石の落下は加速度運動、金属部分の落下において急激に減速し、等速度運動に近い状態になる様子の観察から電磁誘導現象を明確に理解させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の理科実験キットは、非磁性かつ高導電率の金属又は合金と、非磁性かつ低導電率の金属又は合金或いは絶縁材料と、を連結して支柱とし、該支柱の断面形状より所定の余裕を持った空間を有する所定厚みの磁石を嵌め込み、該支柱の両端に前記磁石を係止するストッパーを着脱可能にとりつけたことを特徴とする。
さらに、前記支柱は、前記金属又は合金或いは絶縁材料からなる円柱部材及び／又は円筒部材を連結したものであり、前記磁石はリング状とするのが好ましい。
また、おのおの円柱部材及び円筒部材の両端に、それぞれ共通のおねじ及びめねじを形成し、複数の部材を連結可能とするのが好ましい。
【０００７】
ある実験者は、電磁誘導実験に関し多数の生徒が見守る中でその現象を理解させるために先に紹介したレール上に円盤を転がせる方法を思いついた。しかし、絶縁体に変えたレールを連結し落下速度の変化を見ようとすることは不可能である。何故なら絶縁体レール部分の落下は自由落下であり円盤がレールに拘束されないからである。本発明は材質の違いにより落下速度が変化することを直截に観察させるために発明者が鋭意考案したものであり、つまり磁石をリング形状にすることにより達成したものである。これまでリング状磁石を使用した例はなく、このことにより以下に示すように電磁誘導を深く理解させる様々な実験が可能となる。
すなわち、種々の材質・形状の部材を自由に組み合わせた支柱を容易に作ることができ、様々な磁石の運動を予想し、実験的に確認することができる。また、落下運動だけでなく、磁石を手でもって動かすことにより、その動きを妨害する力が体験し、この力が動かし方や部材・支柱の材質によって異なることを体験することができる。
【０００８】
なお、前記磁石は希土類系磁石であり、該支柱の断面形状より所定の余裕を持った空間を支柱表面より１．０〜３．０ｍｍ大きくするのが好ましく、この範囲で落下運動の際により滑らかな等速度運動が得やすくなる。
さらには、前記支柱の一部に、磁石又は磁力強度可変の電磁石を配置することにより、磁石の運動を制御するパラメータを付加することができ、生徒の好奇心を一層を刺激することができる。
なお、実験条件によっては、磁石はかなりの速度でストッパーに衝突することもあり、磁石の材質によっては衝撃により破損する場合がある。これを防止するために、前記ストッパーの少なくとも前記リング状磁石と接する部分をゴムのように衝撃を緩和する緩衝材とするか、又は前記リング状磁石の両面に緩衝材を配する構成とするのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の理科実験キットについて、図を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の一例を示す理科実験キットである。図に示すように、例えば、外径４０ｍｍ、内径３２ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング状ネオジウム磁石１０に、外径３０ｍｍ、長さ５０ｃｍの銅製の支柱２０が嵌め込まれ、支柱の両端にはストッパー３０ａ、３０ｂが着脱自在に取り付けられている（図１（ａ））。また、図１（ｂ）には、銅製の支柱の代わりにアクリル樹脂製の支柱が用いられ、同様に、磁石、ストッパーが取り付けられている。なお、本実施例においては、ストッパー３０ａ、３０ｂは、支柱を支える台としても機能する。
【００１１】
これらの支柱を立て、磁石を上端部から落下させると、アクリル樹脂製支柱の場合、磁石は加速度運動を行い、すぐさま落下するのに対し、銅製支柱の場合は、その内部に渦電流が発生し、磁石は重力に対抗する力を受け等速運動となりゆっくり落下するのが分かる。すなわち、全て同じ形状の支柱であっても、その材質により磁石は異なる運動を運動を行うことが明確に分かり、電磁誘導を視覚的に体験し理解することができる。
【００１２】
しかも、従来のものとは異なり、リング状の磁石を支柱の外側におく構成としたことから、同時に複数の生徒が磁石の落下運動を観察することができる。また、ストッパーにより、磁石の散逸を防ぐことができる。  
さらに、本実施例の教材キットにおいては、リング状磁石を手で移動させる実験を行うことも可能であり、動かし方によって渦電流による反発力が変化することを直接的に体験することができる。
【００１３】
ここで、リング状磁石の内径は、棒の外径より１〜３ｍｍ大きくするのが好ましく、これより大きくすると、磁石が傾いて上下に振動するように落下し、なめらかな落下運動となり難くなる。また、小さすぎると、磁石が棒に引っ掛かるようになり、同じくなめらかな落下とはなり難い。
また、リング状磁石の材質としては、ネオジウム磁石やサマリウム−コバルトのような磁束密度の大きな希土類系の磁石が好ましいが、これに限るものではない。
【実施例２】
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施例を示す模式図である。
本実施例の支柱は、例えば、所定の長さの種々の材質からなる円柱部材及び種々の肉厚の円筒部材を用意しておき、これらを適宜連結して支柱としたものである。円柱及び円筒部材の両端には、それぞれおねじとめねじネジが切ってある。図２（ａ）の断面図に示した、円柱部材２０ａと円筒部材２０ｂとの組み合わせのように、様々な材質、形状の部材の組み合わせで、様々な長さ、構成の支柱を作ることができる。なお、２つのストッパーにも、上記おねじ及びめねじとそれぞれ螺合するネジが設けられている。
【００１５】
例えば、図２（ｂ）の教材キットは、長さ１０ｃｍの銅製円柱部材２０ｃと絶縁体であるアクリル樹脂製の円柱部材２０ｄをそれぞれ２個連結して支柱２０を作製し、これに磁石１０、ストッパー３０を取り付けたものである。
磁石を落下させると、アクリル樹脂の部分では、加速度的に落下するが、銅の部分にくると、急激にブレーキがかかり、等速度落下運動となることが見て取れる。
【００１６】
図２（ｃ）の支柱は、異なる電気抵抗の金属を連結させたものである。すなわち、１０ｃｍのアルミニウム製の円柱部材２０ｅと、アルミニウムに比べて導電率の小さな真鍮製の円柱部材２０fを交互に２個ずつ連結したものである。
この支柱を用いて磁石を落下させると、真鍮の部分では速く、アルミニウムの部分では遅く落下し、金属であっても導電率によって磁石の受ける力が異なることを理解することができる。
なお、本実施例では、長さ１０ｃｍ、外径３０ｍｍの円柱部材を用いたが、これに限定されないことは言うまでもない。
【実施例３】
【００１７】
図３は、円筒部材で支柱２０を作り、その中に銅製の棒４０を配置できるように構成したものである。これを横に置いて磁石を素早く移動させて、中の棒を飛び出させることができる。
また、落下実験でも、棒４０を支柱内に挿入することにより、落下速度が変化することことも体験できる。
【実施例４】
【００１８】
さらに、図４は、支柱の一方の端部に永久磁石５０又は電磁石を配置する構成としたものであり、磁石を落下させたとき、支柱が絶縁物と金属との場合により、磁石は異なる運動をする。例えば、永久磁石の分極方向がリング状磁石と逆方向になるように配置した絶縁体支柱を用いた場合は、落下するリング状磁石はストッパー手前の所定位置で上下に振動し、最終的には減衰して停止するが、金属支柱の場合は、その振動の振幅は絶縁体支柱に比べて小さく、短時間で停止する。
なお、永久磁石５０を配置する代わりに、例えば、図２（ｂ）の下端の円柱部材を磁性材料又は磁石で置き換えることにより、本実施例と同様な実験を行うことも可能である。
また、図２（ｂ）において、２０ｃを磁力可変可能な電磁石とした場合電流を制御することにより磁石の落下を停止又は逆に重力に逆らって浮上又は上昇させることもできる。これらの実験により電磁誘導現象に関する深い直感的理解が可能となる。
【００１９】
以上述べてきた通り、本発明の理科実験キットは、落下のみでなく、電磁誘導にかかる様々な現象を体験することができ、生徒の電磁誘導の理解を助けるとともに、好奇心を刺激しアイデアの創出に役立つものである。
なお、本発明において、高導電率の金属又は合金とは、電磁誘導現象が目視で明確に観察できる程度の渦電流を発生させうる導電率の金属又は合金をいい、例えばアルミニウムや銅が挙げられる。一方、低導電率の金属又は合金とは、高導電率の金属や合金よりも、導電率が低い金属又は合金であって、特には、SUSや真鍮のように、目視ではほとんど電磁誘導現象が観測されないものを言う。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】理科実験キットの一例を示す模式図である。（実施例１）
【図２】理科実験キットの種々の構成例を示す模式図である。（実施例２）
【図３】理科実験キットの他の例を示す模式図である。（実施例３）
【図４】理科実験キットの他の例を示す模式図である。（実施例４）
【図５】従来の理科実験キットを示す模式図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  リング状磁石、
２０  支柱
２０ａ〜f  円筒又は円柱部材
３０  ストッパー、
４０  金属棒
５０  永久磁石（電磁石）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009098246.tif 000005
【図４】
2009098246.tif 000006
【図５】
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