物理度の変化と、進行方向の距離の変化が現れるように回転するボールのバウンドによる軌道の変化

変え、回転するボールを落とした。その後のボールの回転速度やボールが横向きに移動する速度、移動

長野県木曽青峰高等学校
2年

課題研究

距離をスローモーション 撮影が可能なカメラで測松原凱矢、入倉ひらら、中村優太

定した。

原悠真、吉田ゆい、四柳奈々
解析方法
１．動機及び目的

撮影した動画を解析アプリを用いて 一コマずつ

横回転のボールのバウンド後の回転方向についの画像にし、ボールの回転する角度を導く。

ての先行研究[2]では、100 ㎝の高さから落下させたボールは、200 ㎝の高さから落下させたボールよ予測

りもバウンド後に逆回転になる回転速度が遅いとバウンド後の横方向の移動距離、回転速度はバウいう結果を得ていた。ここから、回転速度がバウン

ンド前の回転速度に比例する。

ド後の回転方向に影響し、回転の向きが変わる境界が存在することを知った。そこで本研究では、縦回

３. 結果と考察

転のボールでのバウンドによる軌道の変化を研究【実験 1】落下高さが 145cm のときすることにした。

横方向の移動距離

２. 方法
用いた器具

落下高さ145cm

・7 号球のバスケットボール
・自転車のホイール（主動輪）-1.2・ローラー（補助輪）

12.2/s・塩化ビニル管（支柱）-1・おもり（水が入ったペットボトル）

-0.8

[m]

移
動
距
離

4.60/s-0.6
1.71/s

-0.4
-0.2
0

0.5

0.53/s

1

0
0.2

時間[s]

【実験 1】では始めの回転速度が速いほど移動距離も長くなる。無回転ではほぼ同じ地点でバウンド
し、バウンド後の回転も起きていないとわかる。
(矢印はボールの回転方向)
上の画像のような実験装置を使用する。

先行研究の落下高さが高いほうが回転の向きが解析しやすいようにバスケットボールの溝に着変化しやすいという結果から落下高さによっても色し、主動輪と補助輪に接するように乗せる。主動

バウンド前後の回転速度に影響すると考え、落下高輪を用いてボールを反時計回りに回転させる。ボー

さを変えて実験 2 を行った。

ルの回転の速さをボールのバウンド前後の回転速

1-1

【実験 2】落下高さが 70cm のとき落下高さ70cm

横方向の移動距離0.16
0.14

落下高さ70cm

0.12
移
動
速
度

-0.9
5.22/s

-0.7

5.07/s

[m/s]

[m]

移
動
距
離

-0.8

0.1
0.08
0.06
0.04

-0.6

0.02

-0.5

0
0

-0.4

1.11/s
1.60/s
2.05/s1.47/s-0.3-0.2-0.1 0

0.5

0

4

6

回転速度[/s]

10.31/s2

この 2 つのグラフから、落下高さ 145cm の場合、結果を近似する曲線は途中から傾斜が緩やかにな

0.1

り、落下高さ 70cm の場合、結果が一直線上に乗る

0.2

と分かる。

時間[s]

【実験 2】のグラフから落下高さが高い時でも低い
時と同様にボールの回転速度は移動距離を大きく

バウンド前後の回転速度の関係

するということが読み取れる。回転の速いとき、遅いときと同じような結果が得られた。

2.8

以下は実験 1 と 2 の水平方向の移動速度を求め、

バ
ウ
ン
ド
後

ボールの落下高さ別にバウンド前の回転速度と移動速度の関係を表したグラフである。

落下高さ70㎝

1.4

落下高さ145㎝[/s]

落下高さ145cm

0

2

2000
5.6

4000
11.1

16.7
6000

1.8
バウンド前[/s]

1.6

[m/s]

1.4
移
動 1.2
速
1
度
0.8

バウンド前後の回転速度の関係を表したグラフについても、落下高さ 145cm の結果を近似する曲線

0.6

は途中から傾斜が緩やかになり、バウンド前後の回

0.4

転速度の関係に変化があると考えられるのに対し、

0.2

落下高さ 70cm のグラフは結果が一直線上に乗りバ005
回転速度[/s]

10

ウンド前後の回転速度の関係に途中での変化はな

15

いことが読みとられる。

1-2このことから、バウンド前の回転速度と移動速度の関係とバウンド前後の回転速度の関係は共通しているといえる。また、落下高さ 70cm と 145cm では、145cm のほうがバウンド後の回転速度はより遅くなることが読み取れるが、データ数が不十分であるため、これらの事柄について確定するにはさらにデータ数が必要である。
４. 反省
落下高さを比較しやすい値にして実験を行うことができなかった。また、ボールの空気圧をどの実験も統一にして実験することができなかった。さらにデータの個数を増やし、関係性を読み取りやすくするべきである。
５. 参考文献[1] 富山東高等学校 物理 2 班 「バウンド時のボー
ルの回転の変化について」(2016).
[2] 木曽青峰高校 物理班 「ボールのバウンド前後における回転の変化」(2018).

1-3

物理

② 1 つのドミノがその次のドミノに当たり、そのドミノ
階段上でのドミノの運動が動き始めた時刻を『倒れ始めた時刻』と定義し、解析する。振子が１つ目のドミノに当たり、動き始

長野県木曽青峰高等学校
2年

めた時刻を 0 として、それぞれのドミノが倒れた時

池口翔、髙本智広、新田涼馬

間を測定した。

中島菜緒、中村結月、美齊津葉生③ ②を基にして縦軸をドミノの位置、横軸をそのドミノが倒れた時間とする x-t グラフを作成する。そし1． 動機及び目的てグラフの近似曲線の傾きからドミノが倒れる速

平面上で倒れるドミノは、間隔が広すぎても狭すぎさを求める。

ても速く倒れず、ドミノを倒すためには最適な間隔が④ ドミノを倒す条件を変えて全パターンを①から③ある。また先行 研究には「斜面では上りは斜 面の角の順に行う。

度が小さいほど速い、下りは大きいほど速い」とあっ⑤ ドミノの倒れる速さをグラフにまとめる。

た。[１][２]
そこで、私たちは、斜面上ではなく階段上ではどうな

３．実験結果【1】るのかに興味を持ち調べることにした。本研究では階図３段上に並べたドミノを上段からと下段からと別々に倒した際、上り下りでどちらのほうが速く倒れるのか、またドミノを配置する間隔と階段の段差がドミノの倒れる速さに及ぼす影響を明らかにする。本研究では日本ドミノ協会公式規格[2]の H46
×W23×D8 mm、 質量 8.6g、 ポリスチレン製のドミノを使用する。
２．実験の方法

図１

分度器

ド
ミ
ノ

図３は段差 9mm、ドミノの間隔 2cm の場合の上りとド
ミノ

下りの v-t グラフである。図３に示されている通り、上り下りどちらの場合も倒れていくにつれグラフが直線になっている。初めは倒れる速さが一定にはなっていなかった。しかし次第に速さが一定になることがわか振り子った。また下りのグラフの方が、傾きが急であることか
図１のように階段上に配置したドミノを端から倒す。

ら、下りの方が上りよりも速く倒れることが分かった。

倒す際に変える条件は階段の段差、上り下り、ドミノ

次に段差を変えても、ドミノの間隔を変えても同じことの間隔であり、変えない条件はドミノの倒し方である。

が言えるかどうか調べた。私たちは実験結果【１】のよ２０°に振り上げた振子を使い、毎回同じ衝撃でドミノ

うに下りの方が速くなるならば、段差が大きいほど速を倒し始める。

くなるはずだと予想した。

① 図２は実際の実験の風景である。このようにドミノ

実験結果【２】が倒れている様子を撮影する。

一段の段差の高さが 6.0～12 ㎜の階段をつくる。段
差なしも用意する。また、ドミノ間隔を 1.5～4.0 ㎝まで

図２

変えて実験を行い、結果を図４のようにまとめた。横軸の負の値は下る運動、正の値は上る運動を示している。段差なしの部分に注目してみると、ドミノの間隔が 2.0 ㎝の場合が最も速く倒れていることが読み取れる。これは先行研究の「ドミノが最も速く倒れる間隔がある」という結果を再現している。さらに私たちは、上りにおいては 3.0 ㎝や 3.5 ㎝が最速であり、下りにおいては 2.0 ㎝や 1.5 ㎝が最速という結果を得た。上りや
下りや、段差によってドミノが最も速く倒れる間隔は変化するようである。しかしこのグラフには交差が多く、
2-1

一般的な法則性が見えにくい。

遅くなることがあり、私たちの予想とは異なり「段差が大きいほどドミノの倒れる速さが速いというわけでは

図４ない」ということが実証された。
4-1.考察私たちは、データを見直し、ドミノが倒れる速度の違いは隣り合うドミノが接触する場所の違いで生じるものと考えた。
①

ドミノの間隔が短い場合

上 側 が叩 かれることで勢 いに乗って倒れるため速度が速くなる。
② ドミノの間隔が広い場合①と比 べるとドミノ間 隔 が広いた め接 触 までに時 間 がかかる。そのため①より速度が遅くなる。
③ ドミノの間隔がさらに広い場合
下 側 が叩 かれるため倒 れる
前に接触されたドミノが一瞬
そこで、私たちは一秒間に何㎝倒れるかではなく、一横移動する。そのため、①や秒間に何個ドミノが倒れるかに注目し測定結果を整②よりさらに速度が遅くなる。

理しなおした。すると図５のようなグラフになった。
図５の横軸の負の値は下る運動、正の値は上る運動

4-2.検証を示している。グラフから、段差‐9.0 ㎜の部分でドミノ

下の図は、上りと下りのドミノが次のドミノを叩く様子の倒れる速さが一度小さくなるという、異常な振る舞を表した図である。私たちはドミノの叩かれる位置といが発見された。

接触する位置から地面までの長さがドミノの高さに占める割合を求めた。
① 側面を叩く場合

図５

太線の長さをα と呼ぶ。α は上りと下りの両方に存在している。また、下りの場合に存在しているものは下り

α´ と呼ぶ。

上り

上り

下り

またドミノの倒れる速さは基本 的には上りよりも下 りの方が速くなることがグラフの右側と左側を比べわか

三平方の定理を利用してα 、α´ を求めるとった。しかし、間隔が広い 4.0cm は例外で下りの方が2-2

上にのった。つまり、倒れる速さはαのみで決まるといえる。また、αが大きくなると速さも速くなった。また、
α´の場合のグラフはαの曲線上にのらなかった。

段差-1.2cm

図７

段差-0.9cm

段差-0.6cm

18

16
14
12

速さ[個/s]② 隅を叩く場合
太線の長さをβ と呼ぶ。β は下りの場合にのみ存在している。

10
8
6
4
2
0
75%

① と同様にしてβ を求めると。

85%
95%
叩く位置β

一方、図７では、段差によって速さが変化し、値が同じ曲線上にのらなかった。つまり、β のみでは速さは決まらない。よって、上りの場合、速さは叩く位置によって決まるが、下りの場合 はそうでないという検証結果になった。

これらの式を使って求めた値と個/s をまとめるとα 、５．全体のまとめα´ に関しては図６、β に関しては図７のグラフにな・ドミノには素早く倒れる間隔がある。ドミノ間隔が広った。

すぎても狭すぎてもドミノの倒れる速さは遅くなる。

段差1.2cm
段差0.6cm
段差-1.2cm

図６

16・ドミノは上りよりも下りのほうが早く倒れる。ただし、ド

段差0.9cm
段差0cm
段差-0.9cm

ミノの間隔が広すぎるときは例外である。その原因については今後調査する必要がある。
・倒れる速さのふるまいは段差-9.0mm 周辺で変化す14る。その理由もまだ明らかにできていない。
・上りの速度は叩く位置αで決まる。下りの速度が何速さ[個/s]12で決まるかは今後調査していく。

10

・再現性については付録を参照

8

６．反省と課題

6

・段差-9.0mm で大きく変化しているところが気になったので調べる。

4

７．参考文献2[1] 岐阜県恵那高校理数科 「ドミノ倒しの研究」平

0

成２４年

40%

60%
80%
叩く位置α

100%

https://school.gifu-net.ed.jp/ena-hs/ssh/H24ssh/s
c3/31211.pdf

図６では段差によらず、すべての上りの値が同じ曲線[2] NPO 法人 日本ドミノ協会
2-3https://www.domino.or.jp/（２０２０年１１月６日 閲であり、標準偏差が 1.0cm/s 未満である。また、本研

覧）究の全ての実験は同じ環境で行っているため、他の８．付録

間隔、段差についても同様の再現性ある。

実験の再現性を確認するために段差 9.0mm、ドミノ
間隔 2.0cm の上りと下りの実験を追加で各 4 回ずつ行うと図８、図９のようになった。

図８9mm2cm30
25

位置[cm]

20
追加１
15

追加２
追加３

10

追加４
元データ

5
0
0

2

4

6

時刻[s]

図９

-9mm2cm
30
25

位置[cm]

20
追加１
15

追加２
追加３

10

追加４
元データ

5
0
0

1

2

3

時刻[s]
振子を手動で操作している影響か、特に上りにおいて、時刻が小さい部分でバラツキが大きい。しかし、本研究で注目しているのは、一定の速度に落ちついた所の値（直線になってからの傾き）であり、その値の再現性は十分に高いといえる。具体的には
上りでは平均値 6.6cm/s 標準偏差 0.27cm/s
下りでは平均値 13cm/s 標準偏差 0.97cm/s
2-4

物理
ハニカム構造頂上決戦
長野県木曽青峰高等学校
2 年 向井 光輝 原 悠太
岩原 夏輝 神山 耕輔
鈴木 朝日

使用した模型とその断面図は以下の通り
正三角形

１． 動機及び目的
ハニカム構造とは、正六角形または正六角柱を隙間なく並べた構造のことであるが、広義には正六角形に限らず立体図形を隙間なく並べたものをハニカムと呼ぶ。正多角形のハニカム構造は、正三角形、正四角形、正六角形の３種類しかない。ハ
ニカムとは英語で「ミツバチの巣」という意味であり、多くの蜂の巣がこのような形をしていることから名付けられた。ハニカム構造は、強度が高く衝撃吸収が優れていることから、建造物の建設
材料や飛行機の翼の内部、段ボールなどに利用されている。
ハニカム構造について、私たちはどのようなハニカム構造の強度が一番高いのかという疑問を抱いた。今回の実験では、角の数が異なる正多角柱のハニカム構造で、強度の最も高いハニカム構造はどのような形なのか明らかにし、形と強度の関係を調べることを目的とする。

正四角形

２． 方法
一断面当たり外接円半径 2.0cm、奥行き 10cm の立体が 6 個集合した模型を製作する。模型は断面が正三角形、正四角形、正六角形の三種類を使用する。
模型の上に下敷きを敷き、その上に 60g の重りを 10 秒ずつ間隔をあけて置いていく。

正六角形

実験中

実験後
3-1

模型が壊れた時の重りの重さ、壊れるまでの時
間、壊れ方、耐久値を調べる。模型が壊れたとは、模型の形が崩れて重りを乗せられなくなったときとする。
本実験における耐久値は 一つの重りに対して時間（ｓ）×乗っている重り（ｇ）で一つの重りに対する負荷を出し、それをすべて足したものとする。
また、各模型の壊れ方について、比較をする。

四角形は、斜めに傾きながら、折りたたまれたよ
うに壊れた。

壊れる前
500000400000300000200000100000
0

0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360

壊れる瞬間①

３．結果実験を行うと、次のような結果が得られた

壊れる瞬間②六角形は、隅に負担がかかりそこから壊れた
徐々に歪むように壊れた。

壊れる前①

壊れ方に注目すると三角形は、壊れる直前まであまり模型全体に変化なく、模型の一部が壊れた。

壊れる前②
壊れる前

壊れる瞬間

壊れる瞬間
3-2

４．考察
結果から、最も耐久値が高い断面が正三角形の模型は、断面が正四角形の模型の約２倍、断面が正六角形の模型の約４倍耐久値が高いことが分かった。そこで、それぞれの断面の内角の和に注目す
ると、正三角形の内角の和は正四角形の 1/2 倍、正六角形の 1/4 倍であることから、耐久値と内角の和は反比例に近い関係にあるのではないかと考えた。
接合面は横からの負荷にはとても弱いため接合箇所の一番少ない三角形の耐久値が一番高くなったと考えられる。また六角形は面同士の接合面が模型の中では一番多く模型を設置した際設置面が他模型よりとても小さかったため安定性がなくなり
耐久値が一番低くなったと考えられる。
逆に壊れ方に注目すると、三角形は急に壊れ、四角形と六角形は徐々に壊れたことから、建築に向いているのは、壊れる直前に変化が生じる、四角
形と六角形だと考えた。つまり、強度だけでみると三角形はハニカム構造の頂上と言えるが、建築においては、どの構造が頂上だと決めることができない。

断面の立体を組み合わせて実験を行いたい。今回の実験では、手作業で模型を製作したため、歪みやずれが生じてしまったので、より正確な模型を製作する方法を考えたい。

６．参考文献１）秋田県立大学 システム科学技術学部 建築
環境システム学科 「ハニカム構造の可能性」（２０１８年）２）小川俊夫 岡崎徳臣 「各種ハニカム構造の圧縮強度について」 （１９９３年）
３）小笠原永久 白鳥正樹 宮原進 于 強「ハニカム構造材料の衝撃吸収特性に関する研究」 （１９９７年）

内角の和と耐久値の関係
1600
1400

内角の和

1200
1000

六角形

800
600

四角形

400

三角形

200
0
0

100000200000300000400000500000

耐久値

５．反省と課題
今回の研究では、どの構造が頂上だと決定付ける
実験結果は得られなかったが、ハニカム構造の耐久値と断面の内角の和の関係について新たな疑問が生まれた。
そのため、今後は模型の大きさを変えた時に同様な結果になるか確かめたい。また，複雑な構造での耐久度についても調査したいため，形の異なる
3-3

生物

クロ波を照射する。電子レンジの出力は 200W とし、
電子レンジのマイクロ波が5 秒間、10 秒間の系を各 6 個体ずつ用意する。実験

植物の成長に与える影響

1 より、30 秒間照射した個体は全て枯死したため、
30 秒間の系は用意しない。コントロールは 4 個体

長野県木曽青峰高等学校 理数科 課題研究
2年

安藤真弥

太田望心

とする。各系を 5s,10s と表し、それぞれの 6 個体

征矢叶羽

を a，b,ｃ,ｄ,ｅ,ｆとする。3 日間同時刻(午前 8
1.研究の動機及び目的時)に照射を行い、照射開始日を含めて 14 日間(11

昨年度の本校理数科課題研究における「植物に対す

月 7 日～11 月 20 日)茎の長さの測定をする。観察るストレスとその反応～マイクロ波が植物に与え期間中は 25℃に設定したインキュベーターで管理る影響～」により、マイクロ波を照射することで植する。

物の成長が抑制されることが示唆された[１]。一方、先行研究の中には、マイクロ波の照射により植物の成長の促進が報告されたものもある[２]。このことは、マイクロ波が条件により植物の成長を抑制する
場合と促進する場合があることを示唆している。私たちはその点に興味を抱き、家庭用電子レンジのマ
イクロ波が植物の成長に与える影響を評価することを試みた。マイクロ波の照射が植物の成長を促進する条件を特定することができれば、植物の有効育
枯死していない状態

成への利用へとつながることが期待される。

結果

2.実験方法及び結果(実験 1)

・供試種子 (実験 1)インゲンマメ(つるなしいんげん

観察 1 日目を経過日数 0 日とする。

ニチノウ)

5s

(実験 2)インゲンマメ(つるなしいんげん

枯死した状態

a

b

c

20

タキイ)

伸 15
び 10
幅
㎝ 5

・家庭用電子レンジ（ハイアールジャパンセールス
株式会社/CZ-M1706B）
・インキュベーター（SHIMADZU/LH-60 形）

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

実験方法

図1 5s

茎

成長

経過日数（日）(実験 1)発芽 9 日後のインゲンに電子レンジのマイ

10s

クロ波を照射する。電子レンジの出力は 200W とし、
20

5 秒間、10 秒間、30 秒間の系を各 3 個体ずつ用意

a

b

c

伸 15
び 10
幅
㎝ 5

する。コントロールは 4 個体とする。各系を5s,10s,30s と表し、それぞれの 3 個体を a,b,c とする。7 日間同時刻(午前 8 時)に照射を行い、照射0

開始日を含めて 13 日間(2020 年 7 月 30 日～8 月 12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12日)茎の長さの測定をする。観察期間中は室温で管図2 10s 茎

理した。
(実験 2)発芽 6 日後のインゲンに電子レンジのマイ

4-1

成長

経過日数（日）(実験 2)

30s

20

a

b

c

15

10

伸 10
び
幅 5
㎝

伸
び 5
幅
㎝

0

-5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

経過日数（日）
図5 5s

a
c

茎

成長

b
d

a
d

10s

10

15

伸 10
び 5
幅
㎝ 0

c
f

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

成長

コントロール20be0

9 10 11 12

経過日数（日）図3 30s 茎

a
d

5s

b
e

c
f

伸 5
び
幅
㎝ 0
0

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

経過日数（日）図4 コントロール 茎 成長

-5

経過日数（日）図6 10s 茎〔5s〕1 日目から 2 日目にかけてすべての個体に成10長がみられた。3 日目からは大きな成長はみられず、個体 c は 11 日目に枯死した。(図 1)

伸 5
び
幅
㎝ 0

〔10s〕個体 c は 5 日目から 6 日目にかけて大きな成長が認められた。個体 a,b が 8 日目に枯死したの

成長

コントロールacbd

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

経過日数（日）に対し、個体 c は測定最終日まで成長が続いた。(図図7 コントロール 茎

成長2)〔30s〕個体 a は 1 日目から 2 日目にかけての成長〔5s〕観察初期に大きな成長は認められなかった 。

がみられた。3 日目からは成長が認められず、6 日

個体 a,c は 10 日目から 11 日目にかけての成長が目にはすべての個体が枯死した。(図 3)

観察された。個体 d は 7 日目、個体 e は 4 日目に枯〔その他〕5s、10s の観察初期の成長がコントロー

死した。(図 5)ルに比べて大きいことが認められた。10s 照射の個〔10s〕個体 d の 1 日目の成長が大きいことが観察

体 c(10s-c)は 20 日目に花が咲いた。同時期のコンされた。個体 d は他の個体と比べ伸び幅が大きいが、トロールでは蕾の形成が観察されていた。

11 日目に枯死した。個体 c，e,ｆは 5 日目までに枯死した。(図 6)

3.考察
実験 1 より、マイクロ波を照射した個体は、観察初期においてコントロールに比べ成長が大きいことから、マイクロ波が植物の成長促進に影響した可能性がある。しかし実験 2 より、マイクロ波を照射し4-2た個体において、観察初期の成長が大きいことが観[3]Microwaved Water-See What It Does To Plants

察されたのは 10s-d のみであるため、実験 1 の再現

https://rense.com//general70/microwaved.htm性は得られていない。

(2021 年 1 月 12 日時点)

実験 1 より、10s-c は最終日まで成長を続けたものの、コントロールとの成長の差異は認められない。
このことは観察初期 7 日間での電子レンジのマイ
クロ波の照射は 観察後期の成長に影響しないことを示唆している。
インゲンが枯死した要因の 1 つとして、マイクロ波照射の際 に電 子レンジの庫 内 側面 に個体 が接触し、損傷した可能性がある。植物体がより小さい段階で照射するなど、電子レンジの庫内側面 に接触しないための工夫が必要である。
実験 2 において、5s-a,5s-c の 10 日目から 11 日目にかけての成長は、どちらも 12 日目にグラフが下降しているため計測誤差である可能性が高い。
実験 2 で使用したインキュベーター内は、風通しが悪く光が当たりにくいため、植物が成長しにくい環境であったと考えられる。

4.残された課題と今後の展望
植物の発芽のタイミングが一定ではないため、播種する数を増やし、実験に用いる個体を選抜すること
で、より精度の高い結果を得られることが期待できる。
購入時期が異なることで、同じ種子の入手が困難になる。また、観察を行う時期によって気温に差があるため、温度管理を行い、条件を揃える必要がある。
計測誤差が生じた可能性があるため、計測の基準を厳密に定めることで、より正確なデータを得られるように留意したい。

5.参考文献・URL[1]植物に対するストレスとその反応～マイクロ波
が植物に与える影響～

長野県木曽青峰高校

理数科課題研究(2019)

7班[2]マイクロ波刺激による植物の有効育成

堀越智(2017)

4-3

プールの中の微生物による水質浄化作用の研究
長野県木曽青峰高等学校 課題研究 生物班
2 年 上小路美咲 原萌夏【要 約】
本研究では、プールの中に生息する微生物のはたらきについて研究をした。実験試料は、活性汚泥と木曽青峰高校のプールの水とした。実験方法として、まず、それぞれのビーカーに牛乳 10mL を加え、水質を汚濁した後に溶存酸素量を計測した。そして、エアレーションを行いながら 1 時間毎の様子を記録した。実験開始から 17 時間後にそれぞれのビーカーの溶存酸素量を計測した。その結果、活性汚泥と牛乳の溶存酸
素量は7 ㎎/L から 9mg/L に変化し、プールの水と牛乳の溶存酸素量は7mg/L から 7mg/L と変化しなかった。
このことから、プールの水には水質浄化作用が弱いまたは見られないということが考えられた。一方、プールに生息する微生物を植物性、動物性に区分したところプールに生息する微生物の多くは植物性であり、活性汚泥中の多くは動物性であった。したがって、活性汚泥中にみられる動物性の微生物の有無が、水質浄化作用に起因していると考えられた。

１．はじめにしかし、先行研究からは、微生物の水質浄化作

昨年の理数科課題研究で蒲沼・栗山・小林・斎用を明らかにするための調査方法の検討を含め、

藤・向井（2019）は、木曽青峰高校の 2 年間放置

プールに生息する微生物の水質浄化作用に関して、されたプールの中に生息する微生物の生態につい基礎的知見が得られていないという課題がある。

て明らかにした 1)。私たちは、この研究に興味をもち、プールの中に生息する微生物のはたらきについて関心をもった。
水中に生息する微生物のはたらきとして、水質浄化が例に挙げられる。水質浄化作用をもつ微生物は、「活性汚泥」として下水処理場などで利用されている。なお、活性汚泥とは、下水などに含まれる有機物を酸化分解する微生物を含む泥状の沈：微生物殿物のことである 2）（図 1）。

：有機物: O2, CO２

図 1 活性汚泥のイメージ図

活性汚泥に関わる研究はいくつか確認することができ、例えば、富山県総合教育センター（2014）

２．目的

は活性汚泥法※に注目し、活性汚泥中の微生物の

木曽青峰高校の 2 年間放置されたプールに生息種類と特徴を明らかにしている 3)。

する微生物の水質浄化作用に関わる基礎的知見を
得る。
5-1

３．方法

活性汚泥のみとプールの水のみの溶存酸素量を３－１ 実験試料計測したところ、それぞれ 9mg/L であった。一方

本研究では、
活性汚泥（木曽福島浄化センター，

で、活性汚泥およびプールの水に牛乳を加えた場

2020 年 9 月 9 日採水）と木曽青峰高校のプールの合では、それぞれ溶存酸素量が 7mg/L となった。

水（2020 年 9 月 10 日採水）を実験試料として使つまり、牛乳を加えたことにより、水質が悪化し用した。活性汚泥中とプールの水に生息すると思たのである(表 1)。

われる微生物を表 3 に示す。なお、活性汚泥、プ

実験開始から 17 時間後において、活性汚泥に牛ールの水はともに、ポリビン（1L）に入れ、10℃乳を加えた試料では、溶存酸素量が 7mg/L から 9に設定したインキュベーターで実験開始まで保存

mg/L に変化し、プールの水に牛乳を加えた試料でした。

は、溶存酸素量が 7mg/L のまま変化がみられなかった。また、いずれの試料においても、時間の経

３－２ 実験方法

過に伴い徐々に濁りがなくなる様子が観察された

まず、活性汚泥、プールの水をビーカーに 500mL(表 2)。

ずつ入れ、それぞれに含まれる溶存酸素量を溶存

表 1 溶存酸素量の時間経過

酸素キット（AZ-DO-10，共立理化学研究所）で計

試料

測した。
次に、
牛乳 10mL をメスシリンダーで測り、

溶存酸素量

日時

活性汚泥のみ9 mg/L

9／11 13：00

活性汚泥、プールの水にそれぞれ加えた。この際

プールの水のみ

9 mg/L

9／11 13：00にも、活性汚泥＋牛乳、プールの水＋牛乳の溶存

活性汚泥＋牛乳(最初)7 mg/L

9／11 14：30

酸素量を計測した。

プールの水＋牛乳(最初)7 mg/L

9／11 14：30

そして、エアレーションを行いながら、1 時間

活性汚泥＋牛乳(最後)9 mg/L

9／12 7：30

毎の様子を記録した。
実験開始から約 17 時間経過

プールの水＋牛乳(最後)7 mg/L

9／12 7：30

した後に、活性汚泥＋牛乳、プールの水＋牛乳の
表 2 時間ごとの実験の様子

溶存酸素量を計測した（図 2）。

試料
活性汚泥＋牛乳様子
白く濁っていたプール＋牛乳白く濁っていた

活性汚泥＋牛乳

表面に気泡があった
表面に白く細かいもの
が浮いている
気泡が多くみられた
下のほうが少し透明になった
薄茶色になっていた
白く濁っていて、膜のよ
うなものがあった
少し白色がなくなった
少し色が薄くなった

プール＋牛乳
活性汚泥＋牛乳
プール＋牛乳図 2 実験の様子

活性汚泥＋牛乳
プール＋牛乳４．結果
本研究では、
溶存酸素量の値が大きくなる場合、

活性汚泥＋牛乳
プール＋牛乳「水質浄化作用がある」とし、値が小さくなる場
合、「水質浄化作用が弱い（みられない）
」とした。
5-2

時間
14：30
（実験開始）
15：30

16：30

18：30

19：30

５．考察

なお、水質浄化作用が微生物の量的な差に影響

結果より、プールの水は、活性汚泥に比べて水しているとも考えられるが、活性汚泥とプールで質浄化作用が弱い、または水質浄化作用がないと生息する微生物種が異なる点から、微生物の量的考えられた。このことから、プールの中の微生物視点からの考察には検討の余地があると思われる。

が活性汚泥中の微生物に比べて、水質浄化作用を付記

示さないことが推察された。

※活性汚泥法とは、好気性微生物に水中の有機物

一方で、プールに生息する微生物の中には、活を処理させることである。

性汚泥中でみられる微生物も存在する（表 3）。そこで、微生物を植物性と動物性に区分したところ、謝辞

プールに生息する微生物の多くは植物性であり、活性汚泥を提供してくださいました、柴田亨様

活性汚泥中にみられる微生物のほとんどは動物性をはじめ株式会社エステム長野の皆さま、木曽福であった。したがって、活性汚泥中にみられる動島浄化センターの皆さまに心より厚く御礼申し上

物性の微生物の有無が、水質浄化作用に起因してげます。

いると考えられた。
表 3 プールの水と活性汚泥中に見られる微生物

主要参考文献木曽青峰高校プール〈植物性〉

1) 蒲沼愛，栗山遥，小林あいり，斎藤美花，向井〈動物性〉

琴音（2019）「放置されたプールにおける生態ファカス属、ウロトリカ属、 ナベカムリ属、フロントニ
グロエオキスチス、

ア属、スピロストマム属、ウ系－微生物の生態に着目して－」『令和元年度ペラネマ、クリプトモナス

ロセントラム属、ゾウリム

理数科課題研究報告集』6-1 頁-6-5 頁

シ属、アンフィレプタス

2) 飯島電子工業株式会社「測定用語辞典」

活性汚泥
〈植物性〉
なし

https://www.iijimae.co.jp/knowledge/glossary_mlss_2.html（最終〈動物性〉

確認：2020 年 11 月 5 日）

ペラネマ，バルカンフィア，

3) 富山県総合教育センター（2014）「活性汚泥

アメーバ，アルケラ（ナベカ
ムリ），ユーグリファ，リト中の微生物」http://digirika.el.tym.ed.jp/wp-

ノッス，トリティグモスト

content/uploads/2014/02/2-3_kasseiodei_biseibutsu.pdf（最終確認：2020

マ，アスピディスカ，オキシ

年 11 月 6 日）

トリッカ，レパデラ（ウサギワムシ），セファロデラ（カシラワムシ），ロタリア（ヒルガタワムシ），ボルティケラ（ツリガネムシ），エピス
ティリス（エダワカレツリガネムシ），カエトノツス（イタチムシ），ディプロガスター（センチュウ），アエ
オロソマ（ベニアブラミミズ），モイナ（タマミジンコ）

蒲沼・栗山・小林・斎藤・向井（2019）および富山県総合教育センター（2014）を参考に作成した。

5-3

地理
木曽町の地形から考える高校生の防災意識改革
～水害編～

80
60
40
20
0

長野県木曽青峰高等学校 課題研究
2 年 菊池快星、小林凜花、奈良駿介
１． 動機および目的
藤岡(2016)によると、発信されている防災情報が社会に十分に受け取られておらず、今後の防災には国・地域・行政および学校教育が重要であると述べている。近年日本全国で洪水や地震災害をはじめとする自然災害が増える中でこの木曽地域もいつ被害に見舞われるかわからない状況にあり、災害の要因の１つとして地形が大きく関係していることが報告されている（例えば，鈴田ほか，２０１１）。そこで、地形に目を向けて防災判断ができるかが私たち学生の課題であると思ったため、災害を回避する対策について災害前にできる知識やその意識を高めることを目的とする。

図 1 アンケートの項目内容

１親が決めたから

40

６その他

3

0
2

3

4

5

25 20

15

9

0

0

64

80
60
40
20
0

27

50

42
20 20

18

図７

63

60

11

1

67
44 45

80

５自分の周りの状況から

10

14

現在の状況について
項目ごとの全体の割合（％）

0

20

18

図６

４ニュースや防災情報から

30

20

33

40
30
20
10
0

40

⑥非常食など防災準備をしている人（％）

3 避難勧告が出ていたから

30

67⑤普段から防災情報を手に入れてい
る（％）

60

33

73
49

図５

20

40

0

図４

２自分で決めたから

45

50④地域の避難訓練に参加している人
（％）

70
50

50

③家族と防災について話したことがある人（％）

80
60
40
20
0

～１回目の質問紙調査結果～

73

27 25

65 55 55 60

45

40

図３

３． 結果と考察
1 回目の質問紙調査は本校の生徒が防災においてどんな状況なのか知るために、令和 2 年度 7 月豪雨災害のことを交えて 2 学年生徒（n＝９６人）を対象に行った（7 月）。

80

67
40

図２

80
60
40
20
0

２． 方法
木曽青峰高校 2 学年生徒に質問紙調査を実施し、本校生徒の防災に対する意識・知識の現状を知ることで課題を類推する。また課題解決に向け実際の災害に対応できるような知識が身につく方法を提案し実施する。

避難しなかった人の理由
複数回答(%)②自分の住む地区の危険な場所を知っている人（％）
82
100①ハザードマップを見たことがある
人（％）

6

図１
6-1

43

38

36

39
13

1

2

3

図８

4

5

6

～１回目の質問紙調査の考察～
図８から【２自分で決めたから】がほかの項目に比べて顕著に低いことから、「自分で判断」ができないことが本校の課題と考えられる。「自分で判断」して避難行動をとることや防災意識を高めるためには自然環境に関する知識が必要であり、その点を補う活動が必要だと考える。
また、図３より、自分の住む地区の危険な場所を知っている人が６３％に対して図１のハザードマップ
を見たことがある人が３８％と低い割合が出ている。
これは、ハザードマップを見ずに危険な場所を判断している人が多いこと、危険と判断した場所が本当に危険な場所かどうか確かめている人が少ないことが考えられる。また、危険な場所を正しく判断するためには地形の成因などから危険箇所を認識する知識を得ることが必要である。
これらの考察から、現在本校の生徒に自然環境に関する知識がどのくらいあるのか把握するために、さらに質問紙調査を実施した。

学校の防災訓練について「災害が学校外で起きた場合あまり役に立たない」と回答した人が多いことから、学校外でも活用できる内容が必要である。
２つの質問紙調査から地形の成因や防災に重要となる自然環境に関する知識の充実をはかることが必要と考え、本校の生徒に向けた防災パンフレットを作成することにした。
４. 防災パンフレットの作成、配布
木曽町の地形は木曽川やその支流によって形成されており、パンフレットでは特に水害に関する防災意識を高めるため川が形成する地形に着目して成因を説明できるよう工夫した。また地形の特徴からどんな災害リスクがあり、どこへ避難するのか自ら判断できることを念頭に作成した。身近な地域に目を向けることでより具体的で本校の生徒にとって分かりやすくなると考えたので、木曽町の地形に着目した。
作成したパンフレット～2 回目の質問紙調査の結果～
２回目の質問紙調査は１回目の質問紙調査の考察をもとに２学年生徒(n＝１１０)を対象に行った（9月）。２回目の質問紙調査の質問①、②の結果を地形の成因や地質などについて触れている回答とそうでない回答に分けた(図 9)。
① 住んでいる地域の災害リスクがあるとする理由
は？
・理由あり １３ →理由はあるが、根拠が不明確。
・理由なし ７７・回答なし（分からない、リスクがない） ２０② 自宅がどんな場所に建っていますか？
・理由あり ０
・理由なし １０８
・回答なし（わからない） ２③ 学校の防災訓練は将来役に立つか？
はい ８２
いいえ １3
図９～2 回目の質問紙調査の考察～
図９より地形の成因や地質について触れられていない回答が多く（77）、地形的要因にふれていても根拠が不明確である回答がみられる。これは、自分の住む地域の山、川、池、崖など形態のみに着目しており、地形の成因や地質に基づいて考えている人が少なく、自然環 境に関する知識が足りていないこと
が分かる。
6-2

～パンフレットの有効性の検証～
防災意識や知識の向上に対する、パンフレットの有効性を検証するため、本校１年４組（令和２年度）の生徒（n＝３０）を対象に質問用紙調査を実施した。
質問用紙調査では、段階評定法を採用し、パンフレットを渡す前と後で実施した。質問項目については、「当てはまる」「やや当てはまる」「どちらともいえない」「やや当てはまらない」「当てはまらない」の五件法で回答を求めた。なお、質問項目は、木曽町の地形や防災にかかわる知識や意識を確認する項目を４つ設定した（表１）。
分析ではまず評定尺度である「当てはまる」「やや当てはまる」」「どちらともいえない」「当てはまらない」
をそれぞれ５点、４点、3 点、2 点、1 点の間隔尺度に読み替えた。次に、得られた回答が否定的か肯定的かを見るために一標本のｔ検定を実施した。ｔ検定については降籏大樹（２０１８）を参考にした。
一標本のｔ検定については初めに、各回答項目の平均値を求め、設定した 5 点から 1 点の中央値である３点と求めた平均値との間で実施することとした。
その際、帰無仮説を「平均値が３に等しい」、対立仮説を「平均値が３に等しくない」とし、平均値が３より有意に高ければ質問項目に対する肯定的な回答、３より有意に低ければ質問項目に対する否定的な回答と判断した。また、パンフレット渡した後の質問紙
調査においては、「パンフレットを読んだことで木曽町 の地 形 の成 因 と水 害 の関 係 性 が理 解 できた」と「パンフレットを読んだことで防災への関心が高まった」といった項目の調査も実施した。

～質問紙調査の結果と考察～

段階評定法による質問紙調査の結果を表２に示す。
表 2 質問紙調査の結果

平均値

２

３

４

質問項目

１

木 曽 町 の地 形 がどのよう

事前

事後▼ 2.03*△ 4.39▼ 2.00*△ 4.15*▼ 1.70*△ 3.46*

3.14n.s.

△ 4.29*にしてできたか理解している。

２

木曽町の地形の成因（成り立ち）と水害の関係について理解している。

３

木曽町の地形と水害について家族や友人に説明できる。

４

水害に対しての避難所がどのような理由でそこに建っているのか説明できる

p < 0.05、n.s.有意差なし △：質問項目に対して有意に肯定的▼：質問校 m 区に対して有意に否定的

質問項目１～３については、パンフレットを渡す前は否定的な傾向が見られたが、パンフ レットを渡した後に、肯定的な傾向へ変化した。また、質問 項目４ は、
パンフレットを渡した後、肯定的な傾向へ変化した。したがって、いずれの項 目においても、パンフレットを渡表１ 前後で比較する質問紙調査項目

１

No.

した後に平均値が肯定側 へ有意に変化したことより、木曽町の地形がどのようにしてできたか理
解している
木曽町の地 形の成因 （成 り立ち）と水 害の関係について理解している

パンフレットは防災意識や知識の向上に寄与したと考えられる。

木曽町の地形と水害について家族や友人に説明できる

15

水害に対しての避難所がどのような理由でそこに建っているのか説明できる

パンフレットを読んだことで木曽町の地形の成因と水害の関係性が理解
14 できた
11

10
3

5
0
5

4

3

図１０

6-3

0

0

2

1

７．参考文献
藤岡達也（2016）：「持続可能な社会と地域防災、
学校防災―繰り返される自然災害に対する防災教育の現状と展望―」第四紀研究 55（４）鈴田祐三，木下隆史、白井勝二，古川勝秀（2011）：「洪水氾濫を推定する地形学的アプローチ
に関する考察」水文・水資源学会誌 第 24 巻 第 2号
大石道夫 水谷武司(1969)：「地形条件から見た扇状地の土砂災害について」
国土交通省 国土地理院
https://www.gsi.go.jp/common/000190162.pdf
木曽町土砂災害・洪水防災マップ （中畑、中島、新万郡、丘の上、山平、中組、富田町、八沢、上の段、本町、上町、大手町、城山地区
降籏大樹（2018）：高校生物における環境倫
理の多元性を指向した環境教育の研究「生物基礎」の生態分野の事例として、筑波大学大学院
教育研究科平成２９年度修士論文」

パンフレットを読んだことで防災への関心が高まった
15

12

13

10
5

2

1

0
5

4

3

2

0
1

図１１

図１０、１１により、パンフレットを読んだことで水害に対する防災の意識や知識の向上が見られ、防災への関心も高まったことが分かる。

４． 研究のまとめ
今回の研究により、木曽青峰高校の生徒の防 災に関する意識や知識が足りていないことが課題として挙げられた。この課題を解決するために、特に地形の成因や災害の要因として大きく影響する自然環
境に関する知識の充実を図ることが必要だと考え、本校の生徒向けの防災パンフレット、特に水害についてのものを作成し、配布した。パンフレットの有効性を検証するために行った質問紙調査からパンフレ
ット配布後の水害に対する防災の意識や知識の向上が見られた。
５．反省と課題
質問紙調査の質問が漠然としたものであり質問に対して色々な捉え方ができたため、地形の成因や地質などに着目した回答が得られなかった。もっと熟考して欲しい質問紙調査結果が得られるようにするべきだった。
パンフレットを作成するにあたってハザードマップなどから地形を考察したため、地形についての詳細な説明等が不足した。より詳細に地形について理解を深めるためには地形分類をすることが必要である。
６．謝辞
本研究にあたり、質問紙調査にご協力いただいた
木曽青峰高校２学年生徒と１年４組（令和２年度）の皆様、そして質問紙調査の分析においてご協力いた
だいた降籏大樹先生に深く感謝申し上げます。

6-4

6-5

6-6