2017 Fiscal Year Research-status Report
光と物質の相互作用を用いたミクロの世界の探究法と教材開発
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16K00980
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| Research Institution | Seinan Gakuin University |
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Principal Investigator |
松村 敬治 西南学院大学, 人間科学部, 教授 (40157350)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塩野 正明 西南学院大学, 人間科学部, 教授 (80235499)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 理科教材開発 / マイクロ波分光の教材 / 赤外分光の教材 / 紫外可視分光の教材 / シャボン玉の干渉 / セッケン膜の干渉 / 膜厚測定 / X線回折の教材 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ここでは、最初に本研究の目的について簡単に述べ、そのあと現在までの研究実績の概要について述べる。
本研究の目的は、「物質」と「光」の相互作用を用いてミクロの世界を探究して解明する教材を開発し提供することにより、理科教育の振興を図ることを目的とする。具体的には次の4つのことを目的としている。①分光法を用いて、マイクロ波と分子構造の関係や、赤外線と温室効果ガスの関係や、可視光・紫外線と原子・分子の関係を解説する教材の開発を行う。②光の干渉を用いたシャボン玉やセッケン膜の膜厚測定の教材化に関する研究を行う。③光のハンカチなどによる回折を用いてＸ線回折の原理を説明する教材を製作する。④作成した教材を地域社会へ向けた自然科学の啓蒙活動の中で公開し、理科教育の振興を図る。
続いて、研究実績の概要について述べる。①分光法の応用においては、液体用のマイクロ波分光器を教材として使用する方法について検討した。また、近赤外の分光器を用いて赤外発光ダイオードを光源として振動分光により水と灯油を区別する教材を製作するための検討を行った。②シャボン玉やセッケン膜の膜厚測定の教材化については、廉価版の測定装置を製作した。具体的には、従来100万円かかっていた干渉スペクトルの測定装置を5万円の予算で製作することができた。また、これまで行ってきたシャボン玉の研究を総括する論文を発表した。③Ｘ線回折の原理を説明する教材の製作では、前回、布越しに豆電球の光を見るときに目視される回折パターンから、結晶配列の大きさと回折像の関係が類推できるような教材を作成したが、今回、プリンタの印字出力をドット単位で制御して布の代用になる格子を描画するプログラムソフトを製作した。④地域社会へ向けた自然科学の啓蒙活動については、「チルドレンズミュージアム」で幼児や小・中学生や保護者を対象に体験学習を行い、理科教育の振興を図った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分光法を用いた原子・分子の性質を解明する教材の開発においては、最初に、10 GHz帯で作動する液体用のマイクロ波分光器を教材として使用する方法について検討した。具体的には、大人数のクラスで演示実験を行うために、実験結果を画面上で表示するだけでなく、音でも表現するように工夫した。続いて、教材用の振動分光の実験装置を製作するために、近赤外分光器を用いて光源の赤外発光ダイオード（LED）の選定を行った。具体的には、水と灯油を振動分光で区別する方法を検討するために、近赤外LED光源に対する吸収の有無を調べて、有用な情報を得た。一方、可視光・紫外線領域での原子や分子の分光については、現有のマルチチャンネル分光器を用いて、原子の発光を演示実験の教材として提供することができた。
シャボン玉やセッケン膜の膜厚測定の教材化については、廉価版の測定装置を製作した。具体的には、従来100万円かかっていた干渉スペクトルの測定装置を5万円の予算で製作することができた。また、これまで行ってきたシャボン玉の研究を総括する論文を発表した。近赤外分光器を用いて干渉スペクトルを測定することに関しては、購入した近赤外分光器の感度が予想以上に悪かったため、現在測定法を検討中である。一方、測定光源のシャボン玉の膜への影響を調べるために、水の赤外分光も同時に行っている。
Ｘ線回折の原理を説明する教材の製作では、前回、布越しに豆電球の光を見るときに目視される回折パターンから、結晶配列の大きさと回折パターンの関係が類推できるような教材を作成したが、今回、プリンタの印字出力をドット単位で制御して布の代用になる格子を描画するプログラムソフトを製作した。
地域社会へ向けた自然科学の啓蒙活動については、「チルドレンズミュージアム」で幼児や小・中学生や保護者を対象に体験学習を行い、理科教育の振興を図った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、これまでの結果を基にして、次に示す内容の研究を行う。
液体のマイクロ波分光に関しては、試作器を大人数のクラスの演示実験に使用できるかをテストする。振動スペクトルに関しては、近赤外領域の検出器の選定を行い、分子の振動運動のシグナルが観測できるかどうかをテストする。一方、可視光・紫外領域の分光では、複数の分光器を用いて光の吸収と放出に関する教材を作成する。
シャボン玉の干渉の教材化に関して、本研究で開発した膜厚測定法を高校物理の教材として提供するための基礎的な研究を行う。具体的には、シャボン玉による光の吸収の影響を排除した状態で反射光の干渉スペクトルを測定する方法を開発することを最初に行う。続いて、2分岐光ファイバと複数の分光器を用いてシャボン玉上の複数の地点の膜厚を同時測定して、シャボン玉の膜厚の分布について考察する。ここで、後者の測定は反射光の干渉スペクトルの測定により行うので、前者の研究を遂行することが重要になる。
Ｘ線回折の原理を説明する教材の製作に関しては、前年度に作成した教材を自然科学教室において公開し、更なる改良を加える。本年度は結晶粉末のＸ線回折像を再現する教材を作成する。結晶粉末は、粒状の微結晶が色々な向きを向いているものとして捉えることができるので、布の格子を回転させるシステムを作成する予定である。更に、高分子物質や無定形物質の回折像を再現する教材を作成することも検討している。また、メッシュの細かい金網や、レプリカの回折シートを利用することも検討に入れて教材の作成を行う。
本年度に作成した教材は、地域社会へ向けた自然科学の啓蒙活動の中で公開する。具体的には、現在行っている「西新チルドレンズミュージアム」などの自然科学教室での演示実験や実習指導の中で公開し、参加者に実体験をしてもらう。これと並行して、本研究の成果を論文として発表する。
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| Causes of Carryover |
（理由）
本年度は2,158円だけ予算が余ったが、この金額で購入する適切な研究用物品が無かったため。
（使用計画）
本年度余った2,158円は、次年度の研究用物品に組み込んで、分光測定やソフト作成のための物品を購入する予定である。
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