下中科学研究助成金取得者研究発表

研究発表⼀覧は下記からご覧いただけます。
https://www.shimonaka.or.jp/3s-grant-contest/イメージしにくい物理現象を具体的に体験できる装置の開発と利用方法の提示
山口県立防府商工高等学校
古本 宏
１

研究概要

この模型は、物理の世界で「アトウッド

今回の研究では、次のことについて実施の装置」と呼ばれているものと基本構造はしたが、まだ時間をかけて継続したいもの同じである。左側の錘は人が乗るエレベーも残った。

タの箱に相当し、右側の３つの錘がエレベ（１）エレベータと似た運動を起こすータに先程の３種類の運動を連続的に起こ実験装置の製作す様に各錘の質量を調整している。

運動中の速度がリアルタイムで観察でき模型上部、ベルトに接して回る速度センるものを製作した。エレベータが停止状態

サにより、エレベータの速度変化を授業中から上の階に移動し、再び停止するまでのに見 せることができるようになった。高校

運動は、正の等加速度運動→等速運動→負生にとって加速度は大変分かりにくいものの等加速度運動という組み合わせとみなすだが、具体的な運動例を使って考えさせることができる。教科「物理基礎」で実際のことで、より効率が高くなったと実感できた。

例を見せながら、運動の向きと速度の正負、上部の構造は以下の通り。

速度変化の向きと加速度の正負について学習することができる。

写真２

エレベータ模型上部の構造（写真１）に全景を示した。たまたま不要の木製梯子２本があったので、この上部に垂木２本をレール状に渡してやぐらを作る。
更にツーバイフォー（構造用木材）を両側に渡して井桁を組む。この井桁にベルトを架けるナイロン車と速度センサをのせた
写真１

エレベータ模型全景（写真２）。
− 68 −

ベルトは左右を直径65ミリのナイロン車で支えている。ナイロン車はＭ６のボルト２本でＬ字アングル（商品名

幅広金折ユ

ニ ク ロ3.2×60×90） に 固 定。 Ｌ 字 ア ン グ
ルには大きな力が加わるので、ツーバイフ
ォーに木ねじでしっかりと固定する。さらに、右側のＬ字アングルには、速度センサを取り付ける必要があるが、これには次の（写真３）の様に、40×40厚さ２ミリのPVC製アングル①、③と鉄製Ｌ字アングル②を用いた。

速 度 セ ン サ と し て、 光 電 池 用 モ ー タH-158を 使 い、 モ ー タ ー 軸 に 直 径50ミ リ のプーリーを取り付ける。このプーリーはタ
ミヤ製プーリーユニットセットに入っているもので入手は容易である。速度センサについては力学台車につけるものと基本的な作りが同じなので、作り方は（４）で詳しく述べる。
エレベータの箱と、おもりＡ、Ｂ、Ｃは、

写真３（上下）100円 シ ョ ッ プ に あ る（写 真 ４） の よ う な
プラスチック製容器に、ホームセンターで売っている１個約50ｇの角ワッシャを必要枚数入れて作った。容器の中で、ワッシャが動かないような工夫が必要。
箱、おもりＡ～Ｃの質量をそれぞれ、Ｍ、ｍ 1、ｍ 2、ｍ 3 とする。また、エレベータの箱が加速上昇、等速上昇、減速上昇する距離をそれぞれ、Ｌ １ 、Ｌ ２ 、Ｌ ３ 、箱の全上昇距離をＬとおく。本校で作ったものは、や ぐ ら の 高 さ か ら、 Ｌ ＝210cmで あ る。 こ写真４− 69 −の程度の距離があったほうが、ｖ－ｔグラょうどよいからだろう。一通り等加速度運フを見たとき“見栄え”が良いようだ。

動の公式について演習が終わった頃、エレロープと滑車の間の摩擦がなく、これらのベータの問題に移る。この模型を使ってエ質量が無視できるとき、次の条件を満たす

レベータの運動を観察させる前に、センサように質量を決めておき、後で微調整する。の基本的性質を生徒に示しておくことが大切だ。つまり、左側の錘が①静止している

加速度上昇の条件は、とき、黒板に映った輝線は０のところをず

ｍ 1 ＋ｍ 2 ＋ｍ 3 ＞Ｍ

っと横に移動して変化しないこと、②錘が等速上昇中は、黒板の輝線は正の一定値を等速上昇の条件は描くこと、③錘が等速下降中は負の一定値

Ｍ＝ｍ1 ＋ｍ 2を描くこと、④上下運動を小さく繰り返したら、輝線はサインカーブのように正負を減速上昇の条件は滑らかに繰り返すこと、である。これで、

Ｍ＞ｍ1

そのあとに見せるエレベータの運動がどんな速度変化をしているかが少し分かりよく

全上昇距離はＬしか取れないので、なるはずだ。

Ｌ＝Ｌ １ ＋Ｌ ２ ＋Ｌ ３

以上の準備が終わったら、模型を使って、実際のエレベータの運動を見せる。最初、やってみるとわかるが、この最後の条件

模型左の錘を床近くに静止させておき、静は結構厳しく、Ｌ １ 、Ｌ ２ 、Ｌ ３ を調整する

かに手を放してそのあとの運動を観察する。のは少しだが苦労する。

黒板に映し出される速度は（写真５）のよ摩擦があり、滑車、ロープ自体も運動すうになる。

ることなどを考慮して、ある程度質量は大きくすることが必要になる。（写真４） の角ワッシャは１つあたりの質量がちょうどよい。大ざっぱに加速度、等速度の大きさを決めて、すべての質量が決まったら、箱～おもり間をベルトでつなぐ。箱を最下部（床の少し上） まで下げてから、 オッシロ
スコープで速度変化を観察する。結果を見ながら、何回か容器に入れるワッシャの枚数を調整することが必要だった。容器のふたごとワイヤでくるみ、その後ワッシャを写真５出し入れしたので、結構手間はかかった。
２度は見せたほうが良いと思う。また、（２）エレベータ模型の活用画面は停止させられるので、終わったらこエレベータの運動は物理の演習でよく取のグラフを投影したままにしておく。

り上げられる。等速度運動と等加速度運動

次は、センサの出力結果を見ながら、生の組み合わせなので問題のレベルとしてち徒に質問し、考えさせる段階になる。①エ− 70 −

レベータは上昇して停止するまで、どんなに使用を諦めた。以後、センサとして適し速度変化をしているのか？（言葉ではどのたものを直流モーターから探すことにした。

ように表現すればよいか？）②上昇中の加速度の正負はどの場合が正で、どの場合が負になるのか？など。
なお、授業の順番から、エレベータの問題を扱う前に、斜面上の台車の滑走を学習している。
（３）エレベータ用速度センサの開発について
速度センサとしては当初、ベルトを乗せるプーリーを兼ねて、自転車のハブ内臓ダイナモを使う予定だった。（写真６）図１
直流モーターも色々ある中で、光電池用
写真６として販売されているH-158（Nakamura）（写（写真６）の左側は、エレベータ模型に使真７）が、回転に必要なトルクが小さく、っ て い る ベ ル ト で 耐 荷 重 は250kg重、 右 側

起電力が低速時から大きいのでこれを使うはことにした。

ベルト移動速度を調べるための自転車用ハブダイナモ（サンヨウ製、回転に必要なトルクが小さいが現在入手困難）。 前任校では理数科の課題研究で、自転車のペダルを踏む力と加速度の関係を調べる際、大いに役立った。ところが、今回これを使ってエレベータの等加速度上昇時の速度変化（Ｖ-ｔグラフは直線状に増加するはず）を調べたところ、速度の立ち上がり時に毎回不自然な電圧の盛り上がりが出ることがわかった。原因を調べると、このダイナモの回転速度と起電力の関係（図１）から出ていて避けようがないことが分かり、最終的− 71 −

写真７次に、速度と発生電圧の関係を調べた。

（写真10）の左側で、左から右に向けて赤外線を当て、光の通過をフォトトランジスタで受ける。円盤の穴を光が通過するとき、フォトトランジスタに電流が流れ、抵抗によって電圧に変換すると、右下のような電圧波形（矩形波）が得られる。この時間間
隔 か らH-158の 回 転 速 度 が 求 ま る。 一 方、右上の波形はH-158の起電力を表している。
結果は、図２のようになった。モーターの回転速度と起電力の間には、精度の高い比

写真８

例関係が成り立つことが確認できた。

実験装置全景中央の木製台に乗っている装置の拡大写
真が次の（写真９）である。

写真９光電池用モーターに穴の開いたアルミ円盤を自作して取り付け、別のモーターで回

図２

横軸は回転数［1/s］縦軸は起電力［Ｖ］

転させ、穴を通過する光をフォトトランジス

以上の結果から、 モーター H-158にプータで受けて、オッシロで 観測した。この実リーを取り付けてタイヤとして使えば、速験で得られる波形は（写真10）の右側になる。

度センサとして使えることが分かる。エレベータの模型上部に取り付けた速度センサ
は、ベルトの上にプーリーが乗って回転し、ベルトの速度を出力する（力学台車の場合は、元々あった前輪を取り外し、プーリーを前輪として使えば台車の速度をとらえる
こ と が で き る ）。 詳 し い 作 り 方 は 次 の写真10（４） で取り上げる。 起電力はオッシロス
コープに入力し、画面を小型カメラで写し、− 72 −

プロジェクターで黒板に直接投影して、授素材はPVC（ポリ塩化ビニル）が適す。

業中に利用した。生徒には“黒板に映し出ドリルで穴をあけるとき、割れにくいため。

されたグラフは台車のｖ－ｔグラフだ” と③光電池用モーター H-158の止めねじ位置

言っても定性的にはまったく違和感はないと⑤の先端部の穴に合わせて、穴あけ加ようだ。なお、最初にエレベータの移動方工をする。

向を逆にすると電圧が正⇔負と変わること④右側の角も少し丸く削っておく。

を見せておく。実験を見せた後、オッシロ⑤③の囲みの穴と⑤の穴を合わせてビス止の画面を静止させ、電圧→速度の読み替えめする。

を行い、エレベータの加速度を具体的に計⑥H-158とプーリーを③にビス止め。

算することもできる。

⑦⑤を力学台車にビス止めする。
⑧モーターの電源端子に50Ｖ、47μＦの電界（４）力学台車用の速度センサの作り方

コンデンサをはんだ付けした後、イヤフォ（エレベータ用もほぼ同じ）

ン用コード３ｍ程度をはんだ付けし、速度センサの出力とする。斜面を滑走させて、電圧をオッシロスコープで見ると、モーターの回転速度が変化するとき、整流ブラシでかなりノイズが発生することがわかる。
電界コンデンサは周波数の高いノイズを低減してくれる。
（写 真12） が 完 成 し た も の。 最 近 の 台 車
はアルミダイキャスト製のものが多いが、その場合ビスで固定することが難しいかもしれない。別途工夫が必要だろう。

写真11

写真12

プーリー側

写真13

モーター側（写真11）の上から順に作業していく。
①力学台車の前輪を取り外す②40×40厚 さ ２ ミ リ のPVCア ン グ ル（ 白 ）をカットして、角を一か所丸くしておく。
これは、直径50ミリしかない車輪（プーリー）が幅40ミリのフレームより外側に出る必要があるため。
− 73 −

＜プーリーとモーターについて＞て見せる。斜面の角度を変えるのは、斜面車輪として使うプーリーは、田宮模型かの板を上の段に差し替えるだけなので容易ら販売されている楽しい工作シリーズのプである。このように具体的な例で基本的な事ーリー（Ｓ）セットに含まれている。付属項を確 認しながら、話を進められるので、の Ｗ プ ッ シ ュ と い う 部 品 を 使 っ てH-158に授業がスムーズに進むと実感している。

取り付けることができる。
電圧センサとして使うH-158は、小型の工作用モーターとしてはめずらしくビス固定用の穴が最初からついているので都合がよい。
（５）速度センサ付力学台車の活用
写真15（写真15）は台車が初速０で斜面を下に向かって滑走する場合の結果である。グラフの終わりが“ストン”と０になっていないのは、斜面の最下部で台車を保護するため、

写真14

柔らかい冷媒の袋を数個ビニル袋に入れて「物理基礎」で等加速度を学習するとき、それに衝突させているためである。

加速度の定義などが終わったら、（写真14）にあるような斜面を教卓に準備する。写真の右側に映っているのが高さ調節台である。
座金付ナットを木板にビス止めし、Ｍ８×600のボルトを立てて支柱として使っている。
理科室にある鉄製スタンドより、個別の用途に特化していて使いやすいと思っている（実は 本 校の理 科 室にはスタンドがまった
く不足しているという実情もあって自作し写真16た）。ボルトには２枚、厚い板がナットで固定してある。斜面を架けるとき、どちらを＜斜面を使った最後の考察＞
台車に初速を与えて、台の下端から上方使うかで、傾きがおよそ２倍異なる。
この斜面上で、速度センサ付力学台車をに 向 け て 投 げ 出 し た 後 の 速 度 変 化（ 写 真

滑走させ、速度度変化を見せる。斜面上を16）を見て運動を考察させる。このグラフ

滑走する台車のｖ－ｔグラフが等加速度運動

を正しく読める生徒は、そう多くはいないそのものであること、身近な運動が等 加速と感じている。しかし、台車が斜面を上る度運動だということを、皆で直ちに確認でき、とき、速度（電圧）は正で、後ろ向きに下そのうえで次の段階に進めことができる。続ってくるとき、速度は負で大きくなることいて、斜面の角度を大きくすると、グラフがはこの（写真16）見れば、認めないわけにどうなるか生徒に予想させから、実際にやっはいかない。

− 74 −

このセンサを使った運動の観察は、記録６強をパーツの交換だけでできないか検討

テープや動画撮影の後、画像処理をするのすることにした。いずれの振動台も、原理に比べ、準備が簡単である。台車の運動をは同じで、等速円運動（２次元の運動）を授業中に見せながら、運動方向と速度の正直線上の運動に変換して実現している。

負の関係を理解させること、斜面の角度と速度変化（加速度）との関係を直ぐに、し＜装置Ａについて＞かも何回も見せることができるのは大きな（写真18）にある２本のレールと木製台のメリットと思う。

両端を切断して特に問題なく完成した。

（補足）現在、台車にはより強度の大きい次のの部品を見つけたので、それを取り付けている（写真17）。

写真18

装置Ａ（震度５強）（写真18）にあるモーター制御器は、2012
年 ～ 14年 度 に 行 っ た 研 究（ 注 ３） で、 鉛直振動台の駆動用モーターを動かすために写真17 前輪を外して、プーリーを取り付ける設計・製作したものである。装置Ａ・Ｂともに、その時と同じ「タミヤギアードモーモーターと同じ直径２ミリの穴があけてター「540K75」を使用している。メーカー

あり、モーターへの取り付けは、ねじで行の 資 料（ 図 ３） を 見 る と、 始 動 ト ル ク がえる。プーリーの外形が50ミリなので、前80kg・cm、 電 流 が40Ａ と 大 き く、 電 池 は掲 の 図 ２ の グ ラ フ で、 回 転 速 度10［1/s］

7.2Ｖのニッカド電池（写真19）または7.2が速さ1.57［m/s］、60［1/s］が速さ9.42［m/Ｖのニッケル水素が必要である。

s］に相当する。
（６）地 震の揺れを実際に起こし、実験で利用できる起振機の製作と改良。
震度５強/ ６強の地震の揺れを起こすのは装置Ａ、震度４の揺れを起こすのは装置Ｂである。震度６強を除いて、装置そのものは、昨年８月には完成していた。今回、

写真19

Ａ、Ｂとも幅が大き過ぎて棚に収まらないことから、改良することにした。併せて、装置Ａのパーツを見直し、震度５強と震度− 75 −7.2Ｖニッカド電池

さい、注射器１の保持機構が関係して苦労していた。今回、若干改良することができた。
なお、各注射器の容量は、注射器１が２cc、２が10ccである。２のシリンダー直径の方が大きいので、注射器１の振幅をさらに小さくすることができる。

写真21＜起振機の活用について＞
教科「科学と人間生活」の単元、地震災
害と防災や教科「物理基礎」では、建物を図３模したピアノ線の共振実験などで利用できタミヤギアードモーター特性グラフる。
＜装置Ｂについて＞

経済産業省のホームページによれば、平（写真20）にある装置Ｂの台を揺らす直接

成28年３月には、電気需要場所における感の動力は（写真21）にある注射器２のピス震ブレーカーの設置が規定され、その中でトンに固定した金属製の“ツメ”である。

地震時等に著しく危険な密集市街地の住宅

昨年完成していたが、注射器に水を入れるなどに施設することを勧告し、それ以外のすべての地域の住宅などに施設することを推奨している。今回改良した起振機は同HPにある「感震ブレーカー等の性能評価ガイドライン」（図４） の簡易試験に使用することができる。

写真20装置Ｂ（震度４）

図４− 76 −震 度 ４・・・・ 最 大 加 速 度80ga １、 周 期
0.3秒、 振幅0.182cm、 水圧式

ルが故障し、動かなくなっていることを知った。時間が十分にあるわけではないが、何震 度 ５ 強・・・ 最 大 加 速 度250ga １、 周 期
0.5秒、振幅1.58cm、機械式とか動くよう修繕し、再度活用されることを期待して、作業に取りかかった次第である。

震 度 ６ 強・・・ 最 大 加 速 度600ga １、 周 期

しかし、修繕のためテスラコイルの原理

0.7秒、振幅7.45cm・・・試作を試みたが、について調べ始めると、きちんとした学問

振幅がかなり大きくなるので、装置全体に基づいて書かれたものが少ないことが分を少し大きくするか、今の大きさのままかった。現時点で私が信頼を寄せて読んで構造を考え直す方が良いと判断し、今回いるのは、【参考文献１】 である。 公的機の報告には間に合っていない。

関で評価されていることと、理論的にどう扱った場合、どういう結果になるというこ＜振動台の振幅について＞とが明確に分けて記述されていることと、最大加速度ａと周期Ｔが決まると、単振数学的計算も省略せず書いてある点がよい。

動の公式を使って、振幅Ａを求めることが以下に、改良・修繕した現在の状態でのできる。それに基づいて起振機の振幅を決

テスラコイルの特性について、得られた実めている。

験結果について記述する。

ａ＝Ａ（２π／Ｔ）2＜修繕・一部改良後のテスラコイル＞

よって、

現 状 は、（写 真22） の 様 に、 電 源 部 が 本
2

Ａ＝ａＴ ／４π2体からケーブルでつながっているだけで、物理的には完全に分けて置かれている。最装置Ｂの震度４の場合、最大加速度ａは280ga １＝0.80m/s 、周期0.30秒なので、終的には設置場所が決まってから、電源部の収納方法を決める予定である。火炎長約20cmの放電が観察される。

Ａ＝0.80×0.302 ／４×3.142＝0.001822m＝0.182cm＝1.82mmとなり、かなり小さい。断面積の異なる２つの注射器を使うことにより、この小さな振幅をつくることができた。
（７）科 学館や地域の科学教室で利用できる
テスラコイルについての研究・改良
私がテスラコイルに関わることになったき
っかけは、以前勤務していた山口県立山口高校で、生徒が完成したテスラコイルを見たことから始まる。詳細については（注１）に書いているが、年を経てそのテスラコイ

写真22− 77 −

＜放電中のテスラコイルから４ｍ離れた場所における電圧波形について＞
測定方法は、オッシロスコープのプロー
ブをスタンドのアームから空中にぶら下げておくだけである。少し不思議な感じがするが、これで測れる。
観測された波形が（写真23）で、この波形から周波数は270kHz前後であることがわかった。
写真24４ｍ離れたところの波形＜１次コイルの周波数特性＞【参考文献３】の（図６）の方法で測定。
オッシロスコープの電圧が最大になるときの周波数が共振周波数である。
１次コイルはらせん状に巻いてあり、巻き数を変えられるようになっている。
各巻き数位置での共振周波数ｆ1 は
写真23

12ターン・・・235kHz【参考文献２】に出てくる２次コイルの電10.5ターン・・272kHz

流 波 形 の“Bounces” が 見 ら れ る。 １ 次 コ

10ターン・・・281kHz

イルの電流が最大の時、２次コイルの方は9+3/4ターン・・290kHz

０で、１次コイルの電流が０のとき、２次9ターン・・・・308kHzコイルの電流は最大になるという、エネルギーが１次コイルと２次コイルの間で往復であった。現在は、10.5ターン位置で動作しているためと説明される。

させるようにケーブルを固定している。

（写真23）の波形を時間軸で拡大したもの＜２次コイルの周波数特性＞

が、次の（写真24）である。

【参考文献３】の（図７）の方法で測定。

（写真24）を見ると、一定周期でもっと高測 定 の 結 果、 共 振 周 波 数 ｆ 2 は290kHzでい周波数のパルスが含まれていることがわあった。テスラコイルを作動させているとか る。 調 べ る と 約21MHzの 振 動 波 形 で、 テき周囲に放出される電磁界が約272kHzなのスラコイルをステンレスのネットで完全にで、少しずれている。
因みに【参考文献４】の方法で測定する覆っても、ネットから出てくるパルスと同じものであることがわかった。と、 ２ 次 コ イ ル の 共 振 周 波 数 は280kHzと800kHzの２つあるという結果になった。

− 78 −

＜１次コイルに流れる電流をCTで測定した結果＞
CT は、current monitoring transformerの略で、回路に流れる電流を測るのに用いる変圧器を指す。実物は、次の（写真25）で、 小 型 の100Ｖ 用 変 圧 器 か ら、 鉄 心 を 抜き出したものである。

写真27＜テスラコイルを安全に使う工夫＞

写真25
測定結果は、次の（写真26）である。

写真28
この様にステンレス製の網で囲んで実験すると、感電の危険がまったくなくなる。しかし、約４ｍ離 れたところのオッシロスコープには、次の波形（写真29）が観測された。

写真26
時間軸を５倍に拡大したのが、次の（写真27）である。
この波形は、４ｍ離れた場所で２次コイルから放出された電界波形（写真23）とおな じ で、 ２ 回 の“Bounces” を し て い る ことがわかる。
写真29− 79 −

個々の短い波形を時間軸で拡大すると、と平滑用コンデンサを追加して電圧の変動を 減 ら せ ば、 １ 次 回 路 の 電 流 波 形 の 解
析・理解が進むのではないかと考えている。
イ. １次コイルとコンデンサ（写真32）
２つの部品でLC共振回路を構成する。
１次コイルの巻き数は０～ 13で可変。

写真30（ 写 真30） と な っ て い て、 周 波 数 が 約
21MHzで あ る こ と が わ か っ た。 こ の 電 界 が人体にどう影響するかは現状で不明である。
写真32＜テスラコイルの各パーツについて＞
ア. 電源部と整流回路（写真31）

コンデンサの容量は0.0126μＦ。
ウ. ２次コイルとアルミ製終端電極（写真33）
２つでLC共振回路を構成する。

写真31
左側がネオントランスで、出力はAC15kV、

写真33（横に寝かしているが、立てて使う）

内 部 抵 抗 が41kΩ で あ る。 内 部 抵 抗 が 大 き
いことはコンデンサの充電時間（時定数）

２次コイルは１次側と異なり、分布定数に影響してくる。右側は両波整流回路。４回路（コイルやコンデンサといった回路要つのダイオードを使って、高圧の交流を直素が連続的につながって、伝送線路を構成流（脈流あり）に変えるもの。今後、抵抗している）とみなすのが良いようだ。

− 80 −

＜放電の様子＞

なる。大学や研究機関による包括的な研究

周囲を取り囲んだステンレスの網に向かって放電している。

報告がされていればそれを学習すればよいのだが、一個人の立場での制約もあり、今網は、簡易接地している。のところ見つけることはできていない。学
習者のレベルに合わせて実験とともに理屈も楽しむのが良いと思われる。ただ、装置を改良していく上で、文献が必要なので探したところ、以下の資料が最も信用できると感じたので、読み解きながら、その他の資料も利用していくという方法をとった。
【参考文献１】TESLA COIL RESEARCH

1992年

著者James Corum and James Daum（Battelle）、
Harry L.Moore（ARDEC）
BattelleはBattelle Memorial Instituteを指す。米国オハイオ州にある非営利団体
ARDEC は U.S.ARMY ARMAMENT RESEARCH,

写真34

DEVELOPMENT AND ENGINEERING CENTERを指す。米陸軍の軍事力・技術の研究機関
この資料は理論的取り扱い（特に数学）が丁寧で、実際の数値例が出ている。英文なので、読み解くのにかなり時間を要している（まだ完了していない）。 途中からこの資料に集中するくらい役立った。関係する理論は以下のとおり。

写真35
改良途中の放電の様子

アキルヒホッフの回路方程式イ

電磁誘導の公式ウ

分布定数回路（伝送線路の理論）

エ

定常波の理論【参考文献２】
A Project Report On“Tesla coil”
２

特に参考になった文献について

Vinay Jadwani

他４人の学生テスラコイルの動作原理は物理の学習者

所属Chhattisgarh Swami Vivekanandにとって大変興味がわくものである。しかTechnical University（インド）し、理論的な解釈をきちんと行なおうとす
ると、かなり高度で多方面の知識が必要に− 81 −

この資料では、コイルの自己インダクタンスを計算する公式や、１次コイルと２次コ イ ル で 起 こ る“Bounces” 現 象 を 取 り 上げてあり、本校の実験で得ていた波形の解釈に役立った。

図５

１次コイル、２次コイルの“Bounces”【参考文献３】Tuning A Tesla Coil with an Oscilloscope

図７２次コイルの共振周波数測定（HP）
https://youtu.be/Euy2U92I8e4（注１）装置の原型は、私が2007年に勤務していこの資料では特に、１次コイルと２次コた山口県立山口高等学校で、当時理数科のイルの共振周波数の調べ方が参考になった。

３年生であった（故）宮原淳徳君が中学校時代より製作を続け完成したものである（写 真100）。 校 内 文 化 祭 で は、 山 高 体 育 館
において、彼が自らDJとなり、作品を使った科学ショーを行った。稲妻の発生に伴って発生する大音響の中、手に持って振り回す蛍光管が強く発光することや稲妻を発生するほどの高電圧にもかかわらず彼がまったく平気でいることに皆が驚かされたことを思い出す（写真101）。その後、山口県立博物館で所蔵・活用していたが、不具合などもあり使用は中止していた。今回、再度の活用に向けて、修繕と改良を施すことにした。目標は、①周囲に人体に有害な電磁波を出さないこと、②安全に操作できるこ

図６

１次コイルの共振周波数測定と、③回路原理を学習できる装置になること、④電気回路を壊れにくいものにすることとした。作業に当たって、止むを得ない場合を除いて、当初の姿をできるだけ変え− 82 −ないよう心掛けた。特に、１次コイル、２（注２）

次コイル、コンデンサ群はできるだけ当初

テスラコイルは、100kHz以上の高周波でのものを生かし、最小限の変更・改良に留動作する高圧変圧器。２次コイルの一端がめることにした。また、装置の特性を知る

金属球などで終わっていて、他の回路部品ため、実験をしながら基本性能についてのと 直 接 つ な が っ て い な い が、100kV以 上 の確認をおこなった。

高い電圧を発生する。セルビア出身のニコラ・テスラが1890年以降、アメリカ合衆国特許をとっている。
（注３）
武田科学振興財団の2012年度「高等学校理科教育振興奨励」の振興奨励金を頂いて行った研究で、研究題目は以下のとおり。
物理Ⅱ「円運動と単振動」、地学「地震」の学習指導に役立つ鉛直振動台の設計と製

写真100

作。

【参考文献】
１）本文に掲載
２）本文に掲載
３）本文に掲載
４）テスラコイルの製作法（HP）
http://WWW.ekbo.co.jp
共振特性の観測方法が５） と異なり、写真101

結果も違った。

写真102
この当時のテスラコイルの放電の様子
ネオントランスが３つ使われていた。また、放電ギャップはロータリー式だった。
− 83 −５）
J.Plasma Fusion Res.Vol87, No3（2011）202-215
講座

パルスパワー技術入門

４.パルスパワー発生回路の設計と実践
100Ｖ直流電源とインバータネオントラ
ンスを用いた高電圧発生の記事
６）
The Tesla Coil Design,Construction
And Operation Guide

古本 宏先生（ふるもと ひろし）

テスラコイルの各部の構造について詳しい。 ネオントランスの保護を目的と し た“テ リー フ ィ ル タ” と、 ロ ー タ
リーギャップの問題点についての記事＜略歴＞あり1953年７月３日

７）伝送線路の基礎理論（HP）
分布定数回路MEL Inc. –SnapApp11-

山口県宇部市生まれ

1974年３月

九州大学理学部物理学科卒業

1977年３月

同大学大学院工学研究科修士

小川隆博

課程終了

テスラコイルの２次コイルを伝送線路

1980年４月～山口県立下関工業高校としてみたとき、“伝送線路でトランス1985年４月～山口県立小野田高校が形成できる” という記事が注目され1995年４月～山口県立山口高校

る2009年４月～山口県立萩高校
2015年４月～山口県立防府商工高校

教諭

現在に至る
＜研究歴＞
①初任校下関工業高校で、文部省の科学研究費補助金をいただき、バンデグラーフ起電機の改良版を製作した。
また、これとは別に、運動がリアルモードで電気出力できる力学台車を製作した。
②３校目の勤務校山口県立山口高校でＨ16～Ｈ18年度スーパーサイエンスハイスクールの研究に取り組み、主に理科学習に役立つ生徒の体験学習の開発とその有効性の実証研究を行った。
③４校目の勤務校山口県立萩高校では、山口県教育財団より奨励金を頂き、振動台装置の製作に取り組んだ。またこれとは別に、エレベータの運動を連続的に見せる装置や弦の固有振動を生徒実験で行う− 84 −

方法、２次元の電界を理解するための生徒実験方法を開発した。
④ ４ 校 目 萩 高 校（～ ５ 校 目 の 防 府 商 工 高校）で、武田科学振興財団より研究奨励金を頂き、円運動と単振動の関係を示す振動台装置の設計・製作をおこなった。
⑤平成28年度は、内閣府の「感震ブレーカー等の性能評価 ガイドライン」に従い、性 能 評 価 に 必 要 な「 周 期0.3秒、 最 大 加
速 度80gal、 震 度 ４」 の 揺 れ を 起 こ す 装
置Ａと「周期0.5秒、 最大加速度250gal、震度５強」の揺れを起こす装置Ｂをそれぞれ製作した。この装置は本年８月の本校が実施した中学生対象の実験講座「感震ブレーカーを作ろう」で性能評価に使用した。
＜勤務校＞
山口県立防府商工高等学校〒747-0802
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山口県防府市中央町３- １
電話0835-22-3790− 85 −