女子部中等科３年

物理「ジェットコースターの物理」
神沢 弘明
中等科３年の物理では、物体の運動について学ぶ。その勉強の発展として、ジェットコースターを取り上げ、その運動や安全装置の仕組み、歴史などについて発表を行った。
夏休みにはレポート課題を課し、２学期には家族ごとに、模型を用いてジェットコースターの運動や構造の理解、実際に遊園地に行ってのデータ採集、実験、見学などを通して学びを深めた。発表当日は各家族から選抜されたグループによる口頭発表に加えて、ポスター発表を行った。
Ⅰ．はじめにい、学業報告会へつなげた。また、PC を用いた授中等科３年の物理の授業では、例年半期の授業

業は、例年家庭科で３学期から始まるため、PC ので力学を学んでいる。力においては、力のつりあ使用規則の確認やログインなどから指導を行った。

いや力のモーメントなどの静力学を中心に勉強し、後期から報 告会に むけて 本 格的な準備 を開始

物体の運動においては、速度が一定の場合や一直（【写真①】）した。クラスリーダーをはじめとす

線上を加速しながら動く場合を中心に学ぶ。今回る係を決め、家族ごとに１テーマ（テーマについはこれらの学びの発展として、ジェットコースタては、Ⅲ章を参照のこと）を設定した。

ーを取り上げ、その運動を中心に学ぶことを試み

家族ごとに、決まったテーマについて、書籍やた。１１月の発表に合わせて、授業を後期から前インターネットを用いて調べ学習を行った。また、期に移して、１学期に例年通りの学習を行ない、実験や見学、模型作りなどを通して、内容につい夏休みにはジェットコースターについてのレポーてできるだけ深く学べるように努めた。なお、ジト課題を課した。それらをもとに、２学期に内容ェットコースターについての資料は書籍・インタをさらに深めて発表までの準備を行った。

ーネットともに少なく、生徒が洋書や英語のサイトを日本語に翻訳する必要もあった。また、数学

Ⅱ．報告会までの学習・準備
１学期は力 と運動 につい て の基本的な 授業を行った。
・力について：力の種類、力の見つけ方・描き方、力のつりあい、力のモーメント
・物体の運動：速さの定義・測り方、速さの変化と生物のグループはそれぞれ数学と生物の先生にもサポートに入っていただいた。
調べた内容は「中間発表」（報告会から約１０日前に設定：【写真②】）で発表しあい共有した。発表方法は「プレゼンテーション」と同様。
中間発表後には、発表グループを選抜した。発する運動、速さのグラフ・加速度

表グループは報告会のステージ発表（【写真③・④】）

夏休みにはジェットコースター（遊園地の他のとスライド（【スライド①】）の準備、それ以外のアトラクションも可）につ いてのレポート課題

人は家族ごとに、調べたテーマについてポスター（【レポート①】）を課した。１０月には、レポー（【写真⑤】）の作成を行った。

トを用いて前期家族ごとに「プレゼンテーション」

Ⅲ．報告の内容を行った。各自が調べた内容を共有すること、プ各家族が調べた内容については以下の通り。

レゼンテーション技術の向上、パワーポイントを（１）歴史：ジェットコースターの起源はロシア用いたスライドの作成が主な目的。プレゼンテーの氷滑りやアメリカのトロッコ列車にあり、ションの内容や技術について、互いに評価を行な

L.A.トンプソンによって、コニーアイランド

に作られたものが最初のジェットコースター

った時や満員とガラガラで乗ったときなど、とされる。その後、宙返りコースターが登場し条件の違いによって乗り心地やスリルがどうたり、一般的な椅子に座る他に、吊り下げ型、変わるかについて調べまとめた。また、通常の立ち乗り型などが登場したり、また、安全性を座って乗るジェットコースターと立ち乗り型、高めるために逆走防止装置や車輪などに工夫吊り下げ型での違いについても調べた。

や改良が加えられてきたが、車体が走る仕組みは現在と初期であまり差がない。

（ ５ ） 実験 ： ジェ ッ ト コース タ ー の模 型 (K’nex
Screamin Serpent Roller Coaster)を購入し（２）エネルギー：ジェットコースターの運動に組み立てることで、車体の仕組みやチェーン関係する主なエネルギーは、位置エネルギーの巻き上げ装置の仕組み、コース設計などにと運動エネルギーの２つ。その和は力学的エついて学んだ。さらに、車輪の構造について詳ネルギーと呼ばれ、摩擦や空気抵抗が無視でしく調べるために、DIY ショップにて材料をきる時には一定に保たれる。ジェットコース

購入して、模型を作成した。

ターは、チェーンリフトによって最初に位置エネルギーを付加され、コースを上下しなが（６）安全装置とコース設計：安全装置は、逆走ら、その一部を運動エネルギーに変え、再び位防止装置やハーネスのラチェットロック、ブ置エネルギーに戻すことを繰り返しながら運レーキ、車輪の仕組みについて調べた。力学的動する。また、近年は圧縮空気などにより、スや電磁気的な構造を用いて一定方向にしか動タート時に運動エネルギーを付加するものもかない仕組みを作るなどして、安全性を高めある。摩擦などが無視できないと、力学的エネている。コース設計は、主に木製と鉄製の違い

ルギーは時間とともに減少し、コース後半にについて調べた。初期は木製のコースターばスピードが落ちることになる。それをなるべかりだったが、複雑なコースが作れることもく防ぐために、ベアリングなどで摩擦が小さあって現在は９割以上を鉄製が占める。木製くする工夫がされている。摩擦について深くは独特のきしみや揺れが特徴で、それらがス知るために、摩擦が大きい靴下（adidas 360°リルを生む。安全装置についての見学も行っグリップソックス）を購入して、普通の靴下のた。

場合との比較実験を行った。
（７）数学（曲線と運動）：放物線やサイクロイド（３）加速度：一直線上を運動する物体の速さが曲線、クロソイド曲線などの曲線について、作変化するとき、速さが一定でも物体が曲線を図方法や図形的性質を調べた。決まった２地動くときには、加速度が生じる。ジェットコー

点を結ぶ３コース（直線、放物線、サイクロイスターにおいても、斜面やループなどを走行ド曲線）をダンボールと配線モールを用いてする時には加速度を生じ、慣性力や遠心力が作成し、上から同時に鉄球を転がして、下の地発生する。円錐振り子と Wii リモコン（加速点を通過するまでの時間が、サイクロイド曲度センサを内蔵）を用いた２つの実験から、等線で最短になることを確かめた。

速 円 運 動 の 場 合 の 加 速 度 と 遠 心 力 が a=v2/r,F=mv2/r で与えられることを確かめ、加速度に（８）生物（心拍数）：ジェットコースターに乗っついての理解を深めた。また、カーブでの傾斜た時の、恐怖に伴う神経の興奮に由来した心（カント）と力のつりあいについても調べた。

拍数の上昇メカニズムを中心に学んだ。GPS機能付き時計（Polar RC3 GPS: 速度・高度計（４）乗り方の違い：車両の一番前と一番後に乗測可能）を購入し、それを身につけて実際にジェットコースターに乗り、心拍数を計測した。

もつジェットコースターをテーマとできたこと、そのデータを走った場合や突然驚かした場合楽しみながらパワーポイントの使い方を学べたこなどと比較して考察を行った。とも大きかった。
その一方で、生徒に任せることが大きかったた

Ⅳ．ステージ発表の内容

めに、ステージ発表の完成が報告会ギリギリにな

中間発表後、ステージ発表とその準備を行う発ってしまうなどの反省も残ったが、準備期間と報表グループを組織した。メンバーはクラスリーダ

告会当日ともに、予想していたレベル以上の学びー・副リーダーと各家族から１名ずつを選抜。Ⅲや発表を達成できたように感じた。の（１）〜（８）をどの順番で発表するか考え、報告会後には、教廊にステージ発表のスライドそれに合わせたスライドと報告文の作成を行った。とポスターを掲示し、期末試験にその内容を出題最終的に決定した、発表の順番は以下の通り。

した。

はじめに→実験→エネルギー→歴史→数学→もう一度目を通すことによって、他グループの発コース設計→生物→加速度→乗り方→終わりに表についてもしっかり理解することを目指した。

落ち着いたところで、報告の内容全体にスライドは、中間発表で使ったファイルも利用して、デザインを統一した。それに合わせて、報告Ⅵ．終わりに文を作成した。なお、上記の順番に決まったのは中間発表の準備から、梶野先生と養老先生には報告会当日３日前であり、それまではステージ練生物グループの指導で、鈴木雄紀先生には数学グ習の時間も使って、発表の仕方や順番を考えるこループの指導でそれぞれお世話になった。鈴木先とになった。最終的な形での発表練習の回数は予生には、竹上先生とともに中等科３年のクラス担定よりも少なくなったが、本番ではそれぞれが自任としても、いろいろ力添えをいただいた。

分の役割や全体の流れを押さえた発表をすることができた。

安全装置グループの勉強として、足立区のジオスポーツ（株）へ見学に行かせていただき、高等科１年父母である中臺さんには興味深く有益なおⅤ．報告会を終えて１学期の授業では、一直線上を速度変化なく、話とアドバイスをたくさんいただいた。深く感謝を申し上げたい。

もしくは加速しながら運動し、かつ、物体の大きさは無視できるという条件のもとでの運動を扱った。しかし、ジェットコースターは３次元空間内を、重力下で速度を刻々と変化させながら運動する。また、車体の大きさは無視できず、最前列と最後尾に乗るときなどでは乗り心地が大きく異なる。また、先行研究や日本語の関連する書籍が少ないなど、報告会当日まで大きな問題が山積していた。
それに対して、生徒一人ひとりが主体的に学べるような環境作り、雰囲気作りに努めた。その際、家族ごとでの作業や発表グループの選抜など組織を整えること、プレゼンテーションや中間発表で発表のスキルアップの機会を設けること、全員が力を出せる場所を設けることなどを強く意識した。
主体的な学びという点では、多くの生徒が興味をⅦ．参考文献
1. 遊園地のメカニズム図鑑―ジェットコースターが落ちない理由 八木 一正
2. 遊園地を科学しよう! 八木 一正
3. Coasters 101: An Engineer's Guide to Roller
Coaster Design, Nick Weisenberger
4. Roller Coaster: Wooden and Steel Coasters,Twisters and Corkscrews, David Bennett
5. Roller Coasters (Calling All Innovators: A Careerfor You?), Kevin Cunningham
6. American Coasters: A Thrilling PhotographicRide, Thomas Crymes
7. Theme Park Design: Behind The Scenes With AnEngineer, Steve Alcorn
8. Roller Coaster Science: 50 Wet, Wacky, Wild,Dizzy Experiments about Things Kids Like Best,Jim Wiese【レポート①】夏休みレポート課題【写真③】ステージ発表の様子１【写真④】ステージ発表の様子２【写真①】発表の準備の様子【スライド①】ステージ発表用【写真②】中間発表の様子【写真⑤】ポスター発表