大分大学教育福祉科学部研究紀要（Res. Bull. Fac. Educ.＆Welf. Sci., Oita Univ.）

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遠隔実験装置の開発―陰極線の実験装置の遠隔操作―
藤井弘也＊・芝原雅彦＊・軸丸勇士＊・山下茂＊
佐 藤 元 宏 ＊＊【要旨】

陰極線管を利用した電子の性質を見る実験装置をインターネット経由で制御し，観測して実験結果を得るシステムを開発し，その実用性を調べた。その結果，動画像のスムーズさや観測に必要な解像度など，従来の装置と比較して十分であることがわかった。ここではこの装置を使ってのシステムの構成と特徴について詳説する。
【キーワード】

遠隔実験

陰極線管

比電荷Ⅰ．はじめにICT（Information and Communication Technology）の教育活用については，教育工学分野で研究が続けられ，多くの報告がなされており，筆者らもこれまでいくつかの提言を行ってきた。そのなかでコンピュータによる実験装置制御の方法としては気柱の共鳴実験装置 1)，光の回折実験装置 2)について装置開発を行い報告をしてきた。今回は電磁気の分野でテーマを選ぶことにした。
高等学校の教科書では，電磁気分野の中で陰極線は「電子と原子」のように後半の現代物理学の範囲として扱われており，電子の基本的性質の電荷と質量を知る実験として，ミリカンの実験と共に位置づけられている。これらは荷電粒子が電場や磁場から受ける力を取り扱う教材として古くから用いられてきた。しかし，大分県下の高等学校で陰極線の実験装置を所有している学校は少なく，また高電圧電源を必要とすることから，あまり実験が行われていないのが実情である。
ICT 活用を考える上で，現在ネットワーク（インターネット）の利用が一番重要視されている。実際の利用法としては学校間の交流授業があげられる。このインターネットの利便性は，「どこでも，だれでも利用出来る」，「距離と時間を短縮できる」という点である。そこで，交流授業のような形以外で，学校間の距離を短縮して対面でリアルタイム，双方向にコミュニケーションをとるという利便性を活かす方法がないかと考えた。上述のように実験機器のコンピ
ュータ制御については取り組んできていたので，これを組み合わせて，実験装置を遠隔で制御し，その結果を遠隔地から直接観測し，実験を行うという方法に関する研究に取り組むことに平成 19 年 10 月 31 日受理＊ふじい・ひろなり，しばはら・まさひこ，じくまる・ゆうし，やました・しげる
福祉科学部＊＊さとう・もとひろ 臼杵市立臼杵小学校

大分大学教育16

藤井・芝原・軸丸・山下・佐藤

した。この種の研究については，すでに筆者らは斜面の実験装置についての開発実証結果を報告した経緯がある 3)。そこで，今回は遠隔制御と映像による観測を同じプログラム上で行う陰極線実験装置の開発を行ったのでその結果を報告する。

Ⅱ．原理と理論
陰極線管の中で，熱電子をカソードに生V2

V1

成しこれを陰極として，アノードを陽極と陰極管して加速電圧 V1〔V〕を加え，電子線を陰d

極線管内に映し出す。偏向板に偏向電圧 V2y〔V〕を加えると，電子線は電場によって力を受け軌道を曲げる。図１のようにこのL
図１ときの偏向板間距離を d〔m〕，偏向板の幅xを L〔m〕，偏向板の端から陰極線管面までの距離を x〔m〕，偏向電圧を加えない場合偏向板入り陰極線管の管面上の位置から加えたときの位置までの距離を y〔m〕，電子の電荷量を e〔C〕，電子の質量を m 〔kg〕，加速された電子の速度を v0 とすると，

v0 =

2eV1,
my=

eV2 L( L + 2 x)
2mdv02の関係式が成り立つ。このことから実験では V2 を変化させながらｙの値を測定すれば，電子の比電荷量（電荷量／質量）が求められる。

Ⅲ．陰極線実験装置
図２に示すように，陰極線管（中村理科製Ｉ
Ｅ－Ａ）に直流可変安定化電源２台，ヒーター用トランス（図２には示していないが，加速用の陰極に接続）を接続して電子の方向を曲げる役目を持たせる。電源の内１台は電子線の加速に用い，他の１台を偏向板に接続する。直流電源には GP-IB などのインターフェースによって電圧制御を行うことのできるものもあるが，今回はインターフェースを持たない比較的安価
図２

装置概念図な直流電源を使用した。
ネットワークを通して，遠隔制御 Box に制御信号が送られると，遠隔制御 Box に装備されている汎用パラレル IO からパルス信号をパルスモータドライバーユニットに送る。ドライバーユニットは送られてきた信号に従いパルスモー17

遠隔実験装置の開発

タを正または反転させる。ここでは直流可変電源の電圧可変つまみにパルスモータを直結し，パルスモータの回転を制御することによって電圧を変化させる方法を採った。
同時に遠隔制御 Box はビデオ入力を持っており，ビデオカメラからの映像をネットワークを通じて配信することができる。今回使用した Box は NTSC 信号入力を持っているため，NTSC出力を持つビデオカメラであれば接続可能である。

Ⅳ．遠隔制御遠隔制御 Box は九州エレクトロ

開発環境

ニクスシステム社製のLiveServer LsBox-S を使用した。

プログラムコード

この機器の利点は小型の１Box でビデオサーバ機能を持つ点と汎用

Ｖｉｓｕａｌ Basic.NET
コンパイラ

ＬｉｖｅＳｅｒｖｅｒ
ＳＤＫ

パラレルインターフェースを持ちパラレルインターフェースの入出力をネットワークを介して制御で実行ファイル

LiveServer
遠隔制御Boxきるようになっている点である。
制御プログラムは図３に示すように Microsoft Visual Basic.NET な.NET Frameworks

クライアント
図３

実験装置

大学
開発環境と実行環境

ど Microsoft 系の開発言語を使用してユーザーが開発することができる。そのために必要なライブラ
リ集 SDK が用意されている。コンパイラによって作成した実行フ
ァイルはアプリケーションとしてクライアント側で実行する。アプリケーションはネットワークを通じて LiveServer と動画像の受信とパラレルインターフェースへの信号の送受信を行う。
このシステムの特徴としては Web アプリケーションのようにサーバーサイドプログラムではなく，Windows アプリケーションをクライアント側で動作させる点である。クライアント側にアプリケーションを配布する必要があることから，どこでもだれでもネットワーク環境があれば使用できるという利便性はないが，逆にアプリケーションを持っているものだけが使用可能という利用者制限が可能となる。今回の遠隔実験装置への利用では，不特定のユーザーを対象としておらず，目的に合致しているといえる。もちろん画像サーバーであるため，固定 IPを割り当てる必要がある点は従来のものと同じである。
（今回は撮像した動画について録画をしないようにプログラムしているが，機能としては録画機能を有している。）
また，今回使用した LiveServer は動画像の転送フォーマットとして KAM Codec（圧縮方式）を使用している。この圧縮方式の特徴は高い圧縮率と画像中の動きのある部分のみ解像度を上げて表示するという点であり，0.6～3Mbps と比較的低帯域であるため，現在県内の学校に整備されている高速ネットワーク網の学校情報ネットワークの帯域占有を最小限に抑えることができる。

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藤井・芝原・軸丸・山下・佐藤

Ⅴ．制御プログラム
プログラムのフローチャートを図４に示す。

開始

遠隔制御Ｂｏｘ

遠隔制御Ｂｏｘへの接続

クライアントからのアクセス要求受信陰極線映像の受信

実験装置
映像送信

加速電圧の上昇値入力

パルスモータ
信号送信

電源電圧つまみの回転加速電圧を必要な値に設定し送信する。遠隔制

陰極線映像の受信

実験装置
映像送信

陰極線の映出ターを回転させるパルスをモータードライバに偏極電圧の変化値入力

パルスモータ
信号送信

電源電圧つまみの回転回転させる。電圧の印加により陰極線が映出さ

陰極線映像の受信

実験装置
映像送信

陰極線の偏極向電圧を同様の手順で印加し，その様子をユー

実験装置

左のフローがユーザー側のプログラム処理の流れで，中央のフローが遠隔制御 Box の処理の流れ，右が実験装置の処理の流れである。ユーザ
ー側からのアクセス要求を受けて遠隔制御 Boxはビデオカメラの映像を送信する。ユーザーは変位量の観測送信し，指定の電圧になるように電圧つまみをれ，その画像がユーザー側に送られる。次に偏ザー側で観測し，軌道の変化量をビデオ画像から読みとって実験結果とする。加速電圧と偏向電圧の条件を変えいくつかのデータをとり，与終了
図４

御 Box はパラレルインターフェースからモーえられた数値と実験結果から電子の比電荷量を処理のための流れ図求める。

Ⅵ．実行画面と装置写真

図５

実行画面

図５に実行画面を示す。左側にビデオ画像が表示され，右上に接続ボタンが配置してある。
右中段に加速電圧の設定値を入力するテキストボックスと設定ボタン，メータ表示ウインドウが配置してある。右下段には偏向電圧の設定をする枠が設けられている。

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遠隔実験装置の開発

実際の実験装置の写真を図６に示す。固定電圧電源が２台配置(A)してあるが，これは汎用パラレルインターフェース信号をパルスの形にするためと，モーター駆動のための電源である。装置写真奥の電源２台が加速電圧(B)および偏向電圧用(C)の可変電源で，中央に配置してあるのがモータードライバ(D)，一番左側の黒いボックスが遠隔制御 Box(E)である。手前左のトランス(F)が陰極管のカソードに熱電子をためるため
図６

遠隔操作による陰極線実験のヒーター用の電源である。一番手前の黒い筒状のものが固定ビデオカメラ(G)である。今回はカメラに固定タイプのものを用いたが，ズームやチルト，パンのできるタイプを取り付けると，これらの機能を遠隔で制御することができるようになっている。

Ⅶ．遠隔実験による測定結果
表１

実際にこの実験装置を使用して実測値と計算値

遠隔で画像を見ながら測定した実加速電圧(V)偏向電圧(V)

実測変位(mm)

計算値(mm)2030405020200200200200300

12.518.025.0
31.0
8.0

12.2
18.324.430.58.1

向電極間距離 11.5mm，偏光板の30300

12.012.2

エッジから管壁までの距離が40300

16.016.3

50300

19.0

20.3

110mm であることから，変位 y6070300
300

24.0
28.0

24.428.5y=験結果を表１に示す。
今回の陰極管のそれぞれの部位の値は，偏向電極の幅 23mm，偏を求める式は，

V
1 V2L( L + 2 x) = 2 × 0.122
4d V1V1となる。この式から計算した計算値を表１右側に示す。
今回ビデオ画像から十分な精度を得るために、管面に最小目盛り 1mm スケールを貼り付けている。これにより、実測データの精度は 0.5mm まで得られている。

Ⅷ．考察
今回の実験装置では一つの実行画面に制御パネル部と映像部が配置できているため，以前報
告したプロトタイプで作成したコンピュータ制御プログラム 3)と比べて格段に操作性が上がっている。また，実際にインターネット経由で操作，観測を行ったが，帯域の不足によるコマ落20

藤井・芝原・軸丸・山下・佐藤

ちや遅延もなく，実験装置の制御も全く問題なかった。特にモーター制御用のパルスを送信する場合にパルスレートを早くした場合パルス落ちを起こす可能性が危惧されたが，全くこのような問題は生じなかった。今回使用したカメラおよび LiveServer の KAM Codec による動画
像の解像度は今回の観測を行うには十分であり、必要な測定精度を得ることができた。現在は学内でのテスト実験のみであるが，本学には県内の学校と直接つながるインターネット回線が配線されており，県内の高等学校の授業での実践研究を行うことを計画している。また，このシステムを応用して他の遠隔実験装置を開発中であり，それについても成果報告を予定している。
今後はシミュレーションによる教材を使用して授業を行った場合と，この遠隔実験装置を使用して授業を行った場合とを比較して教育効果，理解度の差を検証する調査を行い，改良を加えると共にどのような教材にこのシステムが効果的かなどの研究を行う予定である。

参考文献
1) 藤井弘也他：大分大学教育学部教育研究紀要 13 359（1991）
2) 藤井弘也他：大分大学教育学部教育研究紀要 16(2) 423-428（1994）
3) 軸丸勇士他：特定領域研究「新世紀型理数科教育の展開研究」
Web ベースで遠隔操作可能な中等教育での理科実験教材の研究
39-42（2003）

Development of the Experimental Equipment by Remote
Control－Remote-Controlled Operation of the Experimental Equipment for CathodeRays－FUJII, H., SHIBAHARA, M., ZIKUMARU, Y., YAMASHITA, S. and SATO, M.

Abstract
We developed the system for controlling and/or observing theexperimental equipment for cathode rays by means of the Internet; andstudied the practical use of the system. We got good results such as thesmooth motion of animation and the resolution good enough to observe it.
Here we made a detailed explanation of the construction andcharacteristics of the system.
【Key words】
chargeExperiment by remote control, Cathode rays, Specific