前回の感想と第12回のレポート問題について

前回の感想・コメント

 前回の授業に対する皆さんの感想・コメント(抜粋)が、

にあるので見ておいてください。

第12回のレポート問題

 以下のようなものでした。

 電磁誘導を使った実験が以下のビデオにあります。

 ビデオ内で起こっている「リング磁石のゆっくりとした落下」はなぜ起こるのか、「中学生・高校生にわかる説明」を書いてください。

  • どのような現象が起こっているかの図解
  • アクリルのところと銅のところは何が違うから落ち方が変わるのかの理由

をちゃんと説明すること。

 なお、念の為。実験で使っているリング状ネオジム磁石は以下の図のような磁力線を出してます。

先に正解を書いておきましょう。

 説明ビデオが↓

 磁石が落下すると、それによって磁場が時間変化します。時間変化する磁場があるときは、「その磁場の変化を妨げるような磁場を作る電流を流そうとする」というのが物理法則(レンツの法則)なので、流れることが可能な場合は、図に示したように電流が流れます。

 →   → 

 ちょっと注意。上では「どちら向きに電流ができるか」という説明の都合上、まず「電流がどういう磁場を作るか?」を考えました。つまり磁場の時間変化→電流の作る磁場→電流という順番に考えて(説明して)いきました。しかし、実際に起こる物理現象の順番としては


磁石による磁場(磁束密度)の時間変化 → 電磁誘導による起電力の発生 → 電流が流れる → 電流により磁場が発生

です。因果関係は磁場時間変化→電流→電流の作る磁場であること(説明の順番とは違うこと)に注意しましょう。

 電流によって作られた磁場は、ちょうど

のようなN極、S極を持つ電磁石ができたのと同じになります。上の電磁石は落ちる磁石をひっぱりあげる力を、下の電磁石は落ちる磁石を支えるような力を、リング磁石に及ぼすので、リング磁石の落下は何もないところで落ちるよりも遅くなります。

上にも磁石ができるということを書いてない答案もいくつかありました。「なぜゆっくり落ちるか」という説明だけなら下の部分だけでも成り立ちますが、「上でも磁束は変化しているのでは?」と考える生徒もいると思います。

 アクリルの部分でも「電流を流そうとする作用」は発生します(誘導電場ができる)が、アクリルは電流が流れないので落下を妨げる力は発生しません。

注意点をいくつか述べておきます。

 「中学生・高校生にわかる説明」ということを書いたのですが、そうではなく「先生にわかる説明」を書いている人がいました。たとえば、磁石が落下するとそれによって磁束が変動し打ち消す方向に電流が流れる。という文章でどっちむきに電流が流れるか説明したつもりになっている人がいますが、よくわかってない中学生・高校生にこの説明をしたら、何%かは「磁束を打ち消す方向」つまり「磁束と逆向きに電流が流れる」と誤解します。言いたかったことは「電流が作る磁束が、磁束の変動を打ち消すことになるような方向」なのだと思います。すでにわかっている人なら間違わないですが、中学生など、「今から勉強する人」には明確に説明するという姿勢を持たなくてはだめです。

 人に教える立場に立つからには、わかっている人にはわかるけど、まだわかっていない人には役に立たない説明はやめましょう。実際、ついついこれはやってしまうものではあります(私もよく失敗する)が、気をつけましょう。

 図を見るとわかるように、電流の作る磁場は磁石より上と磁石より下では逆を向いていて、上では磁石の作る磁場と同じ向き、下では磁石の作る磁場と逆向きです。

 これを雑に電流は磁石の磁場と逆向きに磁場を作ると説明していた人もいました。これを電流は磁石の磁場の変動と逆向きに磁場を作るなら正しいです(まだこれでもわかりにくい文章ではある)。雑な説明をすると生徒が混乱します。

 説明不足というより、自分でもわかってないんじゃないかと心配になるような答案もありました。まずはちゃんと理解しましょう!

レンズに関するクイズ

レンズに関するクイズ

 さて、では前回の続きで、波の話(今日は主に光の話)を考えよう。


 光の屈折の応用である「レンズがどのような像を作るか」というのもちゃんと理解されていないことが多い現象なので、ここで考えておこう。まず以下のようなクイズを考えてみて欲しい。

 凸レンズで 太陽光を一点に集めて黒い紙に火をつける、という実験をやったことがある人は多いと思う。同じことを蛍光灯でやってみたらどうなるんだろう?

  1. やはり光は一点に集まり、熱くなる。
  2. 光は一点に集まるものの、太陽光のときほど熱くはならない。
  3. 光は一点に集まらず、光が蛍光灯の形になる。


次のページに解答があるが、よく考えてから次へ行こう。
前回の復習と第12回のレポート問題 レンズの像

レンズの像

クイズの解答

 正解ビデオがこちら↓

3.が正解でした!

 2.の光は一点に集まるものの、太陽光のときほど熱くはならないと答える人が多いのだが、これは「凸レンズは光を一点に集める」という言葉を文字通りに解釈してしまっているという一つの誤概念である。実は凸レンズを通った光が一点に集まるのは、(もちろんレンズは理想的なレンズであるとして)凸レンズを通る前の光が

  1. 平行光線であった場合
  2. 一点から発した光であった場合

だけである平行光線を「無限遠の一点から発した光」と考えれば、前者は後者に含まれる。。1.の場合の光の集まる点が「焦点」である。

 凸レンズがどのように光を集めて、どのように像を作るのかを説明するアプリがあるのでやってみよう↓。
 アプリの使い方の説明ビデオが↓

 上で説明したのは「実像」のでき方。図で描くと

のような感じである。太陽はすごく遠くにあるので、太陽からの光は焦点の位置の「ほぼ一点」に集まる。

 実は太陽とはいえ完全に一点ではないので、太陽の大きさ分の広がりをもった像ができる。実際、6月にあった日食のときに凸レンズを使って太陽の像を作ったものが下の写真である。

 物体が遠ざかったときに実像がどう変化するかの説明ビデオが↓

アプリで、自分で物体を動かして、どんなふうに光が集まるか、物体が動くと実像がどう動くか、を実感してみてください(レンズの公式とかを覚えるより、この「実感」の方が大事!)。

 実像は、上で示したように「実際にこの場所に光が集まることによってできる像」です。この場所にスクリーンを立てるとこの像が写って見えます。

 これに対して虚像というのはアプリの下の説明にも書いた図の、

のように、実際とは違う場所から光が来るため、レンズの右側から見るとあたかもそこに物体があるように見える、というものです。

 クイズに出した、蛍光灯を凸レンズに通すとどうなるか、というのは「実像」の方です。

 蛍光灯の場合、一点から発したわけではない光が上の図のように進んで像を作るので、一点に集まらず蛍光灯の形になるのが正しい。

 これはやってみればすぐにわかることである。ところが意外とやってみたことがない子(およびやってみたことがないまま大学生になっちゃった子)が多い。実際のところ「なんでもやってみる」のは理科の基本だと思う。だから生徒児童が「なんでもやってみよう」という姿勢でいるときは、危険がない限りは止めない方がよい。

 レンズの問題も生徒に嫌われることが多く、また「とにかく公式だけ覚えておこう」という姿勢で勉強してしまいがちな分野である。現象と結びつけた理解を目指そう。

 ではもうひとつクイズを。凸レンズを半分にしたら(あるいは下の図のように下半分を紙などで覆ったら)、像はどうなるだろう?

答えを考えてから、ここをクリック。 「像が半分になる」というのが小学生あたりのよくある答えなのだが、この場合、像全体が暗くなるだけで半分になったりはしない。上の図をよくみるとわかるように、像のところにやってくる光は、レンズ全体を通ってくる。半分隠されたということは、光の量は半分にはなるが、像の出来方は同じである。
レンズに関するクイズ 人間の目がやっていること

人間の目がやっていること

人間の目のしくみ

 ところで、これは人間が(というか、動物が)「物を見る」ためのメカニズムそのものである。人間が物を見て「あっ、あそこに○○がある」と判断するためには、やってきた光が「どこから来たか」を判断できなくてはいけない。ただ光を感じるだけではだめである。人間の目にもレンズにあたるものがあり、そのレンズが光を集めることで「光がこの方向からやってきた」ということを判断できるのである。人間の目のレンズが正しく働いていれば、一点から出た光は一点に集まる。

 それがうまくできなくて、光を集めきれてないがゆえに像がぼやける、というのが近視/遠視という症状である。

 近視の状態の説明ビデオが↓

 近眼の人の目の中の光を図解したのが↓の図。

 遠いところにある物体から出た光はピントが合わないが、近づくとピントがあってはっきり見えるようになる。遠視はこの反対である。

レンズの像 波の回折

波の回折

 回折とは、波が隙間(スリット)を通り抜けたときに広がる現象のことである。しかし、波の代表例である「光」はふだんあまり回折現象を見せることはない(光は直進し、物体の背後に回り込んだりしない)。しかしもうひとつの代表例である「音」はかなり回折する。その違いは何にあるかというと、波の波長と、スリットの間隔の比である。

 具体的に言うと、波長がスリット間隔程度の長いものであったときは回折がよく起こり、波長がスリット間隔に比べて短いものであったときはあまり回折しない。そのあたりを下のアプリでまず確かめよう。

 単スリットによる波の回折を説明するアプリがあるのでやってみよう↓。
 単スリットのアプリの説明ビデオが↓

 まずはアプリで「波長が長い方が回折がよく起こる」というイメージを掴んでもらいたい。その上で理由を説明していこう。

 回折はどうして起こる?の説明ビデオが↓

 ホイヘンスの原理を考えると、スリットに比べ波長が短い場合、なぜ波が広がっていかないかが理解できる。ビデオで説明したように、

のように(波長が短い場合)スリット幅から離れた場所にくる素元波は互いに消し合ってしまうのである。

のように(波長が短くても)スリットの内側に進む波では「消えず残る部分」がある。

 スリット幅が狭いとその「消し合う効果」が少ないので離れた場所でも波は消えない(つまり、よく回折する)。

 どうしてスリットの幅が狭いとよく回折するのか?の説明ビデオが↓

 波が振動で位相がそろってない場合に互いに消し合うことがあるということを思い起こすと、この現象も理解できるのだが、なかなかイメージするのが大変である。こういう動画で波のイメージを作っていこう。

人間の目がやっていること 最後に

最後に

 以上で、この「物理学概論」の授業は終わりです。おつかれさまでした。慣れない遠隔授業でみなさんも大変だったと思います。少しでも楽しんでもらえるよう、アプリを作ったり実験ビデオを撮ったりしました。この授業が今後教員になる(あるいは教員にならなくても、なにかを教えるという経験をする)うえで役に立ってくれたらいいな、と思っています。

 この授業では、物理もしくは中学理科の教員となる人に向けて、「どのように物理を教えるか?」という点に注意しながら物理の概念の復習を行いました。特に「初学者はどういう点を間違うか」の部分を強調してきました。大変残念な予想ですが、受講者(いつか教員になる人を含む)の中にも見事に「初学者がやりそうな間違い」をやらかしてしまった人がいるだろうと思っています。

 だが、今間違いに気づけたとしたら、それはそれで幸いなことだと思ってください。まだまだ間違ったところを直す機会はあります。直さないでいると「間違いの再生産」になってしまうので、ちゃんと修正していってくれればいいのです。実際のところ私も、教えた後で「しまった間違っていた」と思って冷や汗をかいたことはいくらでもあります。これを読んでいる皆さんが、将来かくことになる冷や汗を少しでも減らしたいと思ってます。

 さらにもう一つ強調しておきたいのは、本来理科教員が伝えるべきなのはここで間違い(誤概念)が発生したような概念を正しく伝えることであって、「テストの問題が解けるようになる」というのは二の次(というより、概念理解の結果としてそうなるべき)だということです。自分は理科教員になったとき、何を子どもたちに伝えるのかそれを考えてみてください。

 将来あなたの教える生徒が「ドリルでやったことがある問題は解けても、大事な物理概念はまるっきり頭に入っていない」ということがないように、正しく「理科(物理)を教える」ことができる教員となれるように、がんばって欲しい、という願いを伝えて、本授業を終わります。

 自分に足りないことを感じた人は、ぜひ引き続き勉強して欲しいと思います。

 最後のページに、成績のための期末レポートの問題があります。試験はしませんので、このレポートを提出してください。
波の回折 期末レポート

期末レポート問題

 成績のため、以下の問題についてレポートを提出してください。提出の方法はこれまで通り、PDFでもwordなどの文書ファイルでも、あるいは手書きのレポートの写真でも構いません。
 この最終レポートを100点満点で採点して、
  • 最終レポートの点数
  • 最終レポートの点数$\times0.6+$これまでのレポート(40点満点で採点)の点数

  • のどちらか点数の高い方で評価します。

必須問題

 この授業を通じて、物理を学習する上での「よくある誤解」についていろいろ話してきました。授業で扱ったものでもそうでないものでもよいので、

  • 自分が過去に持っていた物理に関する「誤解」
  • あるいは、他人(友人でも下級生でも、近所や親戚の子供でもよい)が持っていることに気づいた「誤解」

について説明した後、自分が教える立場にたったとき、自分の生徒がそのような誤解をしないようにするためには教え方にどのような工夫をするかを論じてください(「論じて」欲しいのであって、「がんばる」とか「誤解させないように丁寧に」で終わるような具体性のない決意表明は要りません)。

選択問題:以下のうち、どれか1問について答えてください。選択問題はどれも「生徒など、物理を知らない人にどのように説明するか」という観点で書くこと。

選択問題A

「手回し発電機を回したときの手応えが強さの順番は


何もつないでないとき < 電球をつないだとき < 導線を直結したとき


である」という実験がある。この実験結果を見て、 「電球をつないだときは光という形でエネルギーを出しているのに、直結したときよりも手応えが軽いのは納得できない!」と言っている中学生がいる。この子になぜそうなるのかを説明してください。


選択問題B

あなたの家族が、「永久機関」という触れ込みの機械を買おうとしているので、「エネルギー保存則があるから永久機関なんてのは存在しない」と言うと、「おまえは教科書を信じているが、教科書が正しいとは限らんぞ。理学部の学生は頭が固くていかん」と言われてしまった。さてどう説得しよう?


選択問題C

 あなたが自分の生徒に「机の上に物体が一つ置いてある。物体および机にはどんな力が働いているかを描いてごらん」と指示すると、下の図のような絵が描かれた。 この図の問題点を指摘せよ。


 以上で第15回の授業は終わりです。

 今回は最後の授業なので、授業評価アンケートもあります。

 いつもやっている授業最後の授業評価アンケートは、今期は教務情報システムから行うことになっています。そちらからアンケートに入力してください。

 各自のwebclassへ行って、

  • 第15回授業感想・コメントシート

に答えてください。最終レポートの提出もあります。



webclass↓

 最終レポートの締切は二週間後の8/10の正午としますので注意してください。

最後に 受講者の感想・コメント

受講者の感想・コメント

 青字は受講者からの声、赤字は前野よりの返答です。

 主なもの、代表的なもののみについて記し、回答しています。


第15回に対して

第12回のレポートのなぜ起こるのかという現象はわかっていても、説明の仕方があまりわからなかったので今回の解説をみてどのように説明したらいいのかがわかりました。レンズは人間の目にも使われていて身近に感じることのできる現象のひとつで、目に見えてわかることだと思います。ほかの分野もそうですが、レンズはより身近に感じる分より正確な理解をし、知識をつけたいと思いました。
人が「ものを見る」という「普通」のことの中にも物理がある、という感覚を教えることができるとよいですね。
公式をイメージとして捉えることができ、納得がいきました。誰かに物理を教えるときにも、この自分で操作できるプログラムや先生の動画を見せたいです。サイトを残しておいていただけませんか。
サイトはもちろん残しておきます。いろんなプログラムは、動く教科書シリーズというページにまとめてあります(授業以外のも)。参照してください。
アプリを使うことによって、物体が近づくと像が離れていく感じを体感できました。電磁誘導は教科書などで矢印が全て一つの図に書かれていることが多いので、順番を確認しながら説明することが大切だと思いました。
レンズが光を集めて像をつくるイメージを持っていきましょう。
今回の授業で、凸レンズの像の部分で「蛍光灯では太陽の光を虫眼鏡で集めた時のように熱くはならない」という問題で、引っかかってしまった。ここは注意しなくてはいけないと思った。  また、近視のメカニズムというのは、このレンズの像を考えるうえで面白いく、身近なものであるからとても良いたとえだと感じた。これは、説明に使いたいと思う。
身の回りで起こる現象と結びつけて、物理を勉強していこう。
レンズの像について、見たのは中学生以来だったので興味が持てた。
こういうのも教える側はちゃんと理解しておかないとね。
凸レンズとスリットについて、プログラムでどのような条件でどのような形になるかを視覚的にとらえられた。人に教える際にも理論から初めて実際に見てもらう段階があった方がいいと考えた。
理科(物理)の扱うものは実際にこの世にあるものなので、現実と照らし合わせながら理解していきたいですね。
レンズの働きなどについて学習できた。アニメーションによる説明など繰り返し見て理解を深めたい。
「なるほど、こうなるのか」という感覚をつかんでいきましょう。
波、光など苦手意識が強かったのですが、アプリや動画を通して想像しやすかったです。
このあたりは「動いてるイメージ」の理解が必要なところです。

波はイメージしにくい分野だと思うので、私が教員になり教える際もアプリや動画を使ってわかりやすく説明しようと思った。
実験もぜひやってください。

凸レンズは光を一点に集めるものという誤概念を自分自身が持っていたため、今回の授業で正しいことが知れてよかった。また、その説明として蛍光灯の光を凸レンズで集める方法が挙げられていたが、これはとても簡単な実験なので生徒も理解しやすいと感じた。
ぜひ将来の生徒さんにも見せてあげてください。

スリットの幅に関する話がすごくすっきりしました。ここでホイヘンスの原理で理解できるとは思ってませんでした
回折もちゃんと理屈があるわけです。

レンズは人間の目にも使われていて身近に感じることのできる現象のひとつであることがわかりました。
「目でなぜ物が見えるか」というシンプルな疑問に、ちゃんと答えられるようになろう。

凸レンズは光が一点に集まるというのをそのまま認識してしまって一番間違えた分野でもあるので気を付けたい。波の回折ではなぜ暗い部分と明るい部分ができるのか理論が分かっていても実際問題を解いてみると分からないことが多かったのでよく理解しておきたい
計算と図解と、両方で理解できるようにしましょう。

光が一点に集まっても太陽光ほど熱くならないのは光の種類が違うと思っていたけど、光がどこから集まってるのかというので違いが生まれてくるということが理解できた。
自分でもレンズを使っていろいろ遊んでみてください。
スリットの回折で暗い部分と明るい部分のように視覚的にわかりやすくされていたので理解しやすかった。
まさに「目に見える」現象なので、視覚的に理解していこう。


この授業全体に対して

動画やシュミレーションが多く、理解しにくい現象などが実際にみることができるためわかりやすく理解が深まりました。誤解しているところもいくつかあったので、誤解をとくいい機会になり、正確な知識に変えることができてよかったです。
誤解しやすいところは、つまりは教えるときのキーポイントになるところなので、正確な理解ができるようにしましょう。
この講義を受け、「公式を覚えて当てはめて解く頭の体操」だと思っていた物理が、本質を掴むことで興味を持てるものとなり、楽しいと思えるものになりました。 生徒に理科の楽しさを伝えるためには、先ずは教師が、そのものの楽しさに気付いていなければなりません。前野先生の講義を受けてそのことを強く感じました。 また、これからも学びを継続し、科学の本質の理解を深めていきたいです。
「覚える」のではなく「理解する」。物理はこの世界がどうやって今あるようにあるのかを理解する学問です。それができると楽しくなる。生徒にその楽しさを伝えられる教員を目指してください。
基本的な原理や概念の曖昧な部分を確認し、考えることが出来ました。特に作用反作用のところは理解していない部分が多く、問題を解く前段階の図を書くことが中々できませんでした。今回の講義を受けて、高校の内容で分からなかった部分もいくつか解決できました。公式を暗記している部分が多くあったので、生徒にそうさせないためにも正しい知識をつけていこうと思いました。
「公式の暗記」でない物理を教えることができるよう、がんばってください。
この物理学概論で、物理の勘違いをいくつか解決できたと思います。しかし、自分にはさらに勘違いが多くあると考えます。これをこれから見つけ、解決しないといけないといけないなと改めて感じました。  また、授業の中でいくつかの実験をやっていたのはやはり、印象に強く残っています。そしてその実験をすることでその現象がより分かりやすくなるなと、改めて感じました。今回いいなと感じた実験はいくつかメモを取らせていただきました。今後、教える側に立った時に自らつくり見せれたらと思います。  今回は異例のネットを使った遠隔授業で、他の授業などでは資料を上げてあるだけで、そこから課題をやりなさい。という授業もありました。しかし、この授業では動画が多く、シミュレーションなどもとても分かりやすかったと感じています。 丁寧に授業をしていただき、ありがとうございました。
理科では実験はとても大切なので、教える側に立ったときはどんどんやってください。私のやったのに限らず、いろいろ先人の成果がありますから、利用していきましょう。
毎回のミニテストなどがあればより確認出来て良かったと思います。
他の授業でも課題がたくさんでているようなのでちょっとした質問(クリックしたら答えが出るよ)程度にしておきました。もう少しいろいろやればよかったかなぁ。
中学、高校の物理内容を丁寧にもう一度なぞりながら間違えやすい点、説明が複雑になる点を押さえられた。 授業形態も固定で拘束される時間があるわけではないので、ほかの授業のように電波障害でzoom授業に出られないといったトラブルもなかった。 先生の思慮により、かなり受けやすく受講することができた。
とりあえず無事に授業を終えることができて私もほっとしてます。
動画やアニメーションを使っていて、イメージがつきやすくわかりやすかった。物理は苦手なので引き続きこの授業で学んだことを忘れないように復習していきたい。
動画なども活用して、苦手を克服できるよう、がんばってください。
テキスト、解説、アプリや動画など、様々な教え方で伝えてくださりとても理解しやすかったです。 また教える立場として学ぶことで、自分が伝える時にはどう伝えたら伝わりやすいのかを意識するようになり、より自分自身の理解も深まったように感じました。 対面での授業が行えない中、丁寧にご指導頂きありがとうございました。
「どう教えるか」を考えるのは自分の勉強にもなるという点をわかってもらえてよかったです。みなさんも対面でない授業は慣れなくて大変だったと思います。ご苦労さまです。
ちゃんと理解できていない部分もあるので、これからも勉強していきます。
やりましょう!

アプリを用いた説明と少しの材料でできる簡単な実験が多く理解し易かったです。生徒がどこで間違えやすいのかに重点を置いた授業であり、実際に自分もいくつかの誤概念を持っていたのでこの授業で理解できよい機会となりました。公式を暗記させたり、問題を解けるようになるというより、現象を理解できるように説明するためにまず自分が学びなおさないといけないなと改めて感じました。
理解して、理科の面白さを伝えることができる教員を目指してください。

遠隔授業の中で一番有意義でした。ありがとうございました
そう言ってもらえてよかった。

授業が都合の良いタイミングで受けることができ、理解しづらいところも何回も見直せるので、良いと思いました。
何度も見直して、身につけてください。

今回の授業を通して自分は物理学専門ではないが、好きな科目でもあって理解していても解けない経験をよくしてきました。自分は教職は目指さないけど友達とかに解説することは最近よくあるので、分かりやすくかつ正確に相手に伝える難しさを改めて感じました。特に力学や電磁気学、波の分野はこれからの研究で必要になってくるので授業で学んだ教え方や考え方を大切にしていきたいです。
まず理解、それが大事です。

MIF誤概念の例がもっとないか調べてみようと思いました。
MIFに限らず、いろんな誤概念があります。

動画とシミュレーションがとても分かりやすく、どこが間違えやすいかという部分に焦点を当てて解説してくださったので非常にためになりました。ありがとうございました。
こちらこそ。

期末レポート