2019 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 / シャボン玉やセッケン膜の干渉 / 膜厚測定 / X線回折の教材 / エッシャー風タイリング図形 |
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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、現在までの研究実績の概要について述べる。①液体のマイクロ波分光に関しては、成果を論文として執筆中である。振動スペクトルに関しては、近赤外領域の検出器の感度を検査した。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、原子の発光や分子の吸収を解説する演示実験の教材として提供した。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、中学校や高等学校の理科教員を対象にした講習会に提供するために、装置の改善を行った。③Ｘ線回折の原理を説明する教材の製作に関しては、演示実験用の教材を製作し、児童の前で披露した。また、結晶格子の描画に関連して、エッシャー風タイリング図形の描き方に関する論文を執筆した。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」を開催して、幼児や児童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、液体のマイクロ波分光、近赤外分光、および、紫外・可視分光について検討した。液体のマイクロ波分光に関しては、市販の島津理科の発振器を使って本研究と同様の実験ができることを確認した。現在、廉価版の発振器を使った実験が可能であるかについて検討中である。振動分光に関しては、選定した近赤外領域のフォトダイオード検出器の感度検査を行った。しかし、その検出器は感度が小さすぎて、教材として使用するためには、プリアンプなどの対策を施す必要があることがわかった。紫外・可視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と光源を用いて、中学や高校の理科教員を対象にした講習会で演示実験を行った。
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、通常の教室でもシャボン玉の干渉スペクトルの演示実験ができるように装置の改良を行い、風の影響を除くことができた。一方、測定光源からの熱でシャボン玉の膜が不安定になることに対する対策については検討中である。
Ｘ線回折の原理を説明する教材に関して、金網などを用いて製作した教材を、食塩の結晶に関する教材と組み合わせて、児童向けの自然科学教室で演示実験に使った。具体的には、メキシコ産の天日塩から結晶を切り出す実習を行い、その結晶構造を解説する手段として本研究の教材を使用した。結晶粉末の回折像を説明する教材については、まだ製作段階にある。一方、結晶格子をヒントにしたエッシャー風タイリング図形の描画法に関しては、その成果を論文として発表した。現在、小中学校の算数や数学の教材としての使用法について検討中である。
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」を所属大学で開催して、幼児や小・中学生や保護者を対象に自然科学の体験学習を行い、理科教育の振興を図った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、完成年度として、これまでに得られた結果を発展させて総括を行う。具体的には次に示す内容の研究を行う予定である。
液体のマイクロ波分光に関しては、ドアセンサー用に市販されている廉価な誘電体共振発振器を用いて、測定実験ができるかをテストする。また、これまでの研究結果を踏まえて、液体のマイクロ波分光についての総括的な論文を執筆する。振動スペクトルに関しては、近赤外領域のフォトダイオード検出器の感度をカバーするために、プレアンプを製作して分子の振動運動のシグナルを検出できるようにする。一方、可視光・紫外領域の分光では、これまでの演示実験の教材を改良して、子どもたちが安心して参加できる、体験型の教材を作成する。
シャボン玉の干渉の教材化に関して、透過光と反射光の精密な干渉スペクトルの測定ができるように装置の改良を行う。具体的には、測定光源からの熱でシャボン玉の膜厚が不安定になることに対する対策を検討する。その対策がうまく行けば、シャボン玉の複数のポイントにおける膜厚を同時に測定する方法を検討する。こうした研究と並行して、シャボン玉の干渉スペクトルを録画して、映像教材として提供できるようにする。
Ｘ線回折の原理を説明する教材づくりに関しては、回折格子を回転させるシステムを作成することにより、結晶粉末のＸ線回折像を再現する教材を作成する。また、こうした研究で観察できるようになった美しい回折像を、専用のカメラで撮影して記録に残すと同時に、教材として活用する。一方、結晶格子をヒントにしたエッシャー風タイリング図形の描画法については、小中学校の数学や美術関係の教材として提供する方法を検討する。
本研究で製作した教材は、地域社会へ向けた自然科学の啓蒙活動の中で公開する。これと並行して、本研究の成果は論文として発表する。
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| Causes of Carryover |
Ｘ線回折の原理を説明する教材の製作にあたって、回折像などの映像をクリアに撮影するためには、手動モードに切り替えて撮影できる専用のミラーレス一眼カメラと、そのカメラに装着するズームレンズが不可欠である。また、映像を処理したり、プリンタの印字出力をドット単位で制御して微細な回折格子を描画したり、エッシャー風タイリング模様を描いたりできる新しいパソコンも必要になる。該当するパソコンは、前年度に購入する予定であったが、新機種の発売を待つために、購入を控えている。そこで、こうした機器を購入して研究目的を遂行するために、予算の統合を申請する。
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