91视频

授業に潜入！ おもしろ学問

自然科学科目群／物理学　みんなの物理Ⅱ
间违いを耻じることこそ间违い！
仮説実験授业で出会う物理の世界

舟桥春彦
国际高等教育院／人間?環境学研究科 教授

难しい学问名を冠した讲义名が并ぶシラバスの中で、亲しみやすさで断トツに目を引く「みんなの物理Ⅱ」。讲义のねらいは物理学の知识の习得ではなく、「予想」を立て、理由を出し合い、议论し、実験で确かめる「仮説実験授业」の手法に基づき、科学の流仪を体験的に学ぶこと。予想と実験とを重ねていく中で、〈见えなかった〉物理の世界の动きが〈见えてくる〉。この「脳ミソ」の动きこそがこの讲义の真髄。「间违ってもいい、ナントナクでもいい」。思いのままに、自由に予想を立てながら物理の世界に飞び込んでみよう。

舟桥春彦 教授

今日はペアで実験をしてもらいます。対をなしていない〈不対电子〉にならないよう、ペアが作れそうな席に座ってください（笑）。

周囲を见回し、めぼしい席に着席する学生たち。「今日は何が起こるのだろう」。期待のこもった眼差しを注ぐ学生たちに、舟桥教授から新たな问いが投げられる。

突然ですが、「电波」とは何でしょう。私たちは电波を使ってテレビを见たり、携帯电话で通话したりしています。支払いなどに使う滨颁カードやドローンの操縦も电波を使う1例です。电波はとても身近にありますが、目に见えません。目に见えない电波を理解するには、自分で电波を飞ばし、それを受信してみることです。

目に见えない电波を知る第一歩

①左/受信機 右/送信機

小さな受信机と送信机を用意しました。① 送信机のボタンを押すと、电波が出ます。受信机が电波を受信すれば、このように电子音が鸣り、ランプがつく。テレビなどのリモコンと同じ仕组みです。

2人に1台、受信机を配ります、スイッチをオンにしてください。教坛の上の送信机から电波を送ります。

ほぼ全員が「鸣る」の予想。学生たちの表情にも自信がにじみ出る。

さて、送信機のボタンを押しましたよ。音が鳴った人はいますか──いませんね。実験結果は「鸣らない」です。

この受信机には足りないものがあります。送信机とは违い、アンテナが付いていません。送信机のそばではアンテナがなくても受信しますが、远くにある时はアンテナが威力を発挥します。

そうは言っても、何を取り付けましょうか。アンテナは金属の棒ですから、针金を付けてみましょう。针金を配ります。针金でもアンテナとして働くでしょうか。②

②针金を取り付けた受信机

『）』板倉聖宣著/舟桥春彦?『科学と方法』英訳刊行委員会編
板仓氏の提唱した仮説実験授业の原着论文と代表的な授业书の英訳を収録。

「仮説実験授业」

科学教育の研究者である板仓圣宣氏が1963年に提唱した授业の理论と実践。予想を立てて実験する过程を通して科学上の最も基础的な概念?法则を学び、科学とはどういうものかを体験する。

先ほどの実験結果を受けて、「鸣らない」と予想する人が増えましたが、ほとんどの方が「鸣る」の予想ですね。では、ボタンを押します。

あちこちで鸣っています。どの受信机の音か分からないほどですが、ランプが点灯していれば受信しています。

电波を飞ばしてみよう

电波への理解をさらに深めるべく、送信机を作り、电波を飞ばしてみます。しかし、そんなに简単に电波を飞ばせるのでしょうか。

电波は、自然现象によっても発生します。その一つが雷です。稲妻は巨大な电気火花です。电気火花が発生すると电波が飞び、それをラジオが雑音として受信することがあります。

电気火花から电波が飞ぶなら、电子ライターはどうでしょうか。ボタンを押すと电気火花が出て燃料に着火する仕组みです。 ③ 雷に比べるととても小さな电気火花ですが电子ライターは送信机になるでしょうか。受信アンテナから1メートルくらいのところでやってみます。 ④

予想は「鸣る?鸣らない」ほぼ半分ですね。理由を聞きましょう。他の人の理由を聞いての予想変更も大歓迎。この講義は「間違える練習」、「予想変更の練習」とも思ってくださいね。

学生A ● イ電波は出ると思いますが、鸣るかというと……。受信機に周波数を合わせた訳ではない電子ライターの電波で鸣るのなら、携帯電話やWi-Fiの電波にも反応して、受信機のブザーは既に鳴りっぱなしのはず。

学生B ● ア確かにテレビのリモコンはテレビだけと、セットでしか作用しないから、鸣らないのかな。

でも、Bさんの予想は「鸣る」。予想変更するかというと……。

学生B ●しません。なんとなく鸣った方が楽しい（笑）。

电子ライターと送信机との距离は1メートルほどです。スイッチを押しましたが──鸣りません。

果たして電子ライターから電波は飛んでいたのでしょうか。アンテナまで届かなかっただけで、近づけば鸣るかもしれません。

学生C ●ア 雷はエネルギーが大きいから电波も强いはず。ライターの电波はきっと弱いから、近くなら鸣りそうです。

学生D ●イ 电気火花が出ているからといって、电波も出ているかは分からないので イです。

电気火花＝电波ではないかもしれない、という予想ですね。

では、1センチの距离でスイッチを押してみます──鸣りました。

──「おぉー」。どよめきとともに、拍手が起こる。

电子ライターの中には「圧电素子」という电気部品が入っています。スイッチを押して、圧电素子に打撃を与えると、その衝撃で电子が押し出され、电気火花が出るのです。雷と同様、电気火花が起こるので、电波が飞びます。

电波には、电気を帯びた电子を激しく振动させる働きがあります。受信アンテナは针金。金属ですから「自由电子」があります。电子ライターから飞んだ电波は、受信机のアンテナの电子を「行ったり来たり」と振动させるのです。⑤

⑤〈シャカシャカ〉モテ?ル

学生たちに説明しながら、时折、手に持った棒をシャカシャカと振る舟桥教授。细い透明の筒の中には、电子を模した银色の球が詰められている。「自由电子が『行ったり来たり』振动することに注目する〈モデル〉です。他の要素を积极的に捨象することで本质を抽出しています。アリノママに认识することはできません。この后に登场する〈ばねモデル〉、〈人间モデル〉も同様です」。

さらに远くまで飞ばす秘策

⑥ 点火棒

电子ライターからもっと远くに电波を飞ばすにはどうしたらいいでしょうか。受信机の时のように、送信侧にもアンテナを付ければ、と思った人が目を付けたのが点火棒です。⑥

「電子ライターより远くから鸣らせる」と予想する学生が多数。「筒状の炎口と棒状のアンテナとでは、電子の動きが違うのでは」と、ライターと同距離からしか鸣らないと予想する学生も。

まず、近い距离では──鸣ります。少し离れても──鸣りますね。手を伸ばせば届くほどの距离ですが、少なくとも电子ライターよりは飞ばせます。点火棒の筒はアンテナの働きをしました。

では、アンテナの中で何が起きているのでしょう。スイッチを押して圧电素子から电子が押し出されると、筒の金属の中で激しく振动します。実は、电子が「行ったり来たり」激しく振动すると电波が飞ぶのです。

⑦ 针金を取り付けた点火棒

もっと远くまで电波を飞ばしたい、どうしましょうか。受信机と同じくらいの长さの针金を付けてみたら、という提案があります。⑦

アの予想が优势。 イを选んだ少数派の受讲生に理由を闻くと……。

学生B ● イ筒と针金の金属の种类が违うと、振动は伝わらないかも。

学生E ● イアンテナをくっ付けただけで、取って付けた感が……（笑）。あまり効果はなさそうです。

少しずつ电波が〈见えてきた〉学生たち。讲义が进むにつれて议论が白热する。

学生F ● ア金属には自由電子がいるので、種類が違っても振動するはず。しかもアンテナがある分、遠くからでも鸣ると思います。

いざ、実験。スイッチを押しながら、受信机からどんどん离れる舟桥教授。点火棒だけの时には鸣らなくなった距离を难なく超えたが、ブザーは鸣り続ける。

先ほどと违って、手の届かない距离まで离れられました。手が届く距离ではリモコンの意味がありません。これでコタツから出なくてすむくらいにはなりましたね（笑）。さて、电波はどのくらいまで届くものでしょうか。屋外に出て、実験して体感しましょう。⑧

⑧教室を飞ひ?出し、実験してみよう

屋外での実験では、2人に1組、アンテナ付きの点火棒と受信機が配られた。散らばっての実験もそこそこに舟橋教授から新たな問いかけが。「ふたつのアンテナを共に縦にして鸣る限界の距離より1歩近づきます。送信アンテナの向きを横にしたら受信機は鸣るでしょうか（写真中央）」。予想はほぼ半々。いざ実験してみると──〈鸣らない〉。「うまく電波をやりとりするには、受信アンテナと送信アンテナの向きが重要です。2つのアンテナの向きが平行に揃うほど遠くまで届きます」。もう1問。「魔法の杖を使うように、送信アンテナの先を受信機に向けてみましょう。鸣ると思いますか」。予想は〈鸣らない〉が優勢。試してみると──予想通り〈鸣らない〉。「電波はアンテナの先から飛ぶのではありません。送信アンテナの電子の振動が受信アンテナから見て取れない方向では電波を受け取れません。アンテナ同士が平行のときに最もうまく電波を受信できます」。それならば、と送信アンテナの針金を直角に曲げて試してみる学生も（写真右）。「新しい研究テーマが生まれましたね。結果はどうでしょうか」。舟橋教授の嬉しそうな顔が印象的だ。

送信机と受信机との间で何が起きている？

「电波が飞ぶ」と言いますが、一体何が飞んでいるのでしょう。今日は「ばねモデル」を用意しました。

2人1组になり、1人がばねモデルの片端をもう1人がもう片方を片手で持つ。1人がモデルを持たない手の人差し指でばねの端を一度だけ弾いて振动させる。⑨

弾いてできた波は、スイッチを押して圧电素子に衝撃を与えた时の、アンテナの中の电子の振动に相当します。波はばねを进み、もう片侧の人の手に振动が伝わります。ばねそのものが进んでいるのではなく、振动だけが伝わっています。⑩

⑨

⑩

⑪小刻みには?ねを振り、波の数を増やそうとする学生たち

次は、片侧の人は上下にばねを速く振り続けてください。片端から出た波が、もう片方の端まで进んで「反射」して帰ってくる波と重なり合って、「进んでいないように见える波」ができ、振动しない点（节）もできます。さらに速く振り続けると、节と节との距离が短くなります。瞬间の波の形の山の顶上から次の山の顶上までの长さを波长と言い、1秒间に振る回数を振动数（周波数）と言います。波长の短い波は振动数が多いです。⑪

実験を终え、教室に戻った学生たちに新たなモデルが示された。

次は电波の「人间モデル」を作りましょう。スポーツの试合时、観客席で起こる「ウェーブ」をイメージして、教室の片端の人から顺に両手を挙げてください。隣の人が手を挙げたら手を挙げ、次に伝わったら下げてください。人は移动しませんが、〈波〉が伝わっていきます。⑫

右端の次は左端から、さらに前から、后ろからと波を作りましょう。は?ねモテ?ルは1次元て?したか?、このモテ?ルて?は2次元的に、左右前后、斜めにも伝わります。水纹か?丸く拡か?っていくようにも。捉えにくいて?すか?、电波は空间を3次元的に伝わっていきます。

学生F ● ア鸣ると思います。人間にも自由電子があるとして、電波を受信すれば体内の電子が振動するから、電波が出て受信機に届く。

学生G ● ア受信机と送信机の间にあるのは空気くらい。それなのに电波が飞ぶということは、空気が振动していると予想します。それなら、人の周囲を回り込んで振动が伝わりそう。

学生C ● イテレビのリモコンを手でふさぐと、うまく送受信しないことがあります。人间の体は电波を遮ることができるのでは。

学生H ● イ奥颈-贵颈などは室内でも问题なく受信できますが、リモコンは遮られると送信できない。电波の性质で反応は违うのかも。

いざ実験──学生が间に立つも、防御虚しくブザーが鸣った。人数を2人に増やしても、结果は同じ。

电波は、キャッチボールのボールのように、送信アンテナから何か〈もの〉が飞ぶのではありません。ばねモデルでも见たように、振动が伝わるだけです。振动の一部は人间にぶつかって反射しますが、周囲を回り込み、振动は伝わります。

⑬

では、电波が回り込めないように、受信机をプラスチックのケースに入れて盖をすると？⑬

学生I ● イさっきの実験では人間も振動すると予想し、「鸣る」を選んだのですが、実験後の説明に「人間に反射する」とありました。ならば、プラスチックにも反射しそう。「鸣らない」に1票です。

学生E ● アそうか、人間がはね返すならプラスチックもはね返すかも。「鸣らない」に予想変更します。

実験してみましょう──結果は「鸣る」でした。電波の振動はプラスチックでは邪魔できません。磁石と鉄との間をプラスチックで遮っても、鉄が寄せ付けられるのと同じです。とはいえ、これは程度の問題で、プラスチックが厚くなれば振動は伝わりません。人間の場合も、大人数でガッチリと遮れば電波が届かないことがありますし、携帯電話の電波が地下鉄やトンネル内で圏外になることを経験した人も多いでしょう。

⑭

次は、受信机を金属（アルミ）のケースに入れて盖をします。⑭

学生B ● アケースの自由電子が電波を出すので、鸣ると思います。

学生J ● アＥさんと考えは同じですが、ケースが振动することで逆に振动が収束してしまう気も……。分からなかったので、とりあえず ア。

学生K ● アアルミが振动すれば、中の金属も振动するはず。

贬さんは頷いていますが、予想は「 イ鸣らない」ですね。

学生H ● イ根拠は、携帯电话をアルミホイルで包めば圏外になるという话を何かの作品で観たからです（笑）。プラスチックは振动しないからこそ、中に届いたのかも。振动するものがたくさんあるとあちこちに拡がって、届けたい所に届かない気も……。

学生C ● イ私もドラマの『ガリレオ』で、アルミや镜で携帯电话の电波を反射させる话を见ました。

学生L ● ア「鸣らない」に変更で！ 『ガリレオ』には逆らえない（笑）。

ドラマのエピソードはある程度真実を反映しているのではないかとの予想ですね（笑）。では、电波を発振してみます──鸣りません。

电波が届き、金属ケースの电子が激しく振动すると、全て反射してしまって、透り抜けられません。金属の网でも结果は同じ。正确に理解するには、电磁気学の计算が必要です。纳得のいかないことがあればチャンス。电磁気学の勉强を始めましょう（笑）。

想像力の幅を広げてみましょう

电波の振动は、空気のない真空の宇宙空间でも伝わります。宇宙ステーションからの映像や音声は地球に届きますね。何もない真空の宇宙でも电波が伝わるということは、电波は〈もの〉を介して伝わっているのではない証拠です。

讲义では、ばねや人间などの〈もの〉をモデルにして、电波の振る舞いだけを抽出しましたが、実际は「真空が震えている」というのが现代物理のイメージです。〈真空〉はただ思弁的な「空っぽ」というワケではありません、「无能」ではありません。「〈もの〉がないのに机能がある」というのは日常のイメージを超えるかもしれませんが、真空には少なくとも「电波を伝える机能」があるのです。

今日の讲义はいかがでしたか。「脳ミソ」を动かしてくれたいろいろな発言に拍手！

数々の実験を経て、头の中では〈电波〉と〈振动〉とが强く结び付く。知らない顷にはもう戻れない。飞び交う电波を想像すれば、受讲した学生はもちろん、読者もきっと、头の中で「シャカシャカ」と电子のイメージを振动させてしまうはずだ。