2007 Fiscal Year Annual Research Report
不均一揚の日常現象から導入する物理現象の新しい表現方法の研究
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19500725
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
加藤 徹也 Chiba University, 教育学部, 准教授 (00224519)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 哲 千葉大学, 普遍教育センター, 准教授 (00092099)
東崎 健一 千葉大学, 教育学部, 教授 (30102031)
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| Keywords | 物理教育 / 理科教育 / 日常の物理現象 / シミュレーション / 静電場 / 静磁場 / 応力場 / 不均一場 |
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| Research Abstract |
身近でありながら定式化が困難なために,物理の内容として教育上は意識的に回避されている現象のひとつとして,静電気をため込んだ体から指先を通しての,ドア、ノブへの放電がある。腕と指,ドアとノブなどの形状を2次元でモデル化し,ドア側を接地,腕側を一定電圧とする条件の下で,腕とドアの距離を変えながら,そのあいだの空間における電気エネルギーをカラーコード化して描画し,この距離の変化だけで電気エネルギーの分布が劇的に変わるようすをシミュレーションにより描き出した。一般の物理教科書では電場(ベクトル量)をまず定式化するが,電場により誘起される効果(電気変位)と電場との積に比例する電気エネルギーは,スカラー量であり分布の表示には適切といえる。初等的な教育段階では,腕とドアの距離が変化するだけで空間の電気エネルギーが変化するイメージを与えることが大切で,放電という極端な状況はその変化の末に生じることを背景知識として,電場についての理解につなぐことができる。さらに,腕や指の周りの等電位線を袋に見立て,適切な電圧をその袋に設定すれば,周りの空間の電気エネルギー分布は腕、指の形状のときと変わらない。この例示を通して,表面電荷が外形の湾曲度の大きな(曲率半径の小さな)部分に集中することを説明することができ,身近な電気力や磁気力を感じとりやすい,電気力線や磁力線が集中したときの状況へと言及することが,学習内容への理解度を増すと考えられる。以上の内容を資料として,千葉県下の高校において,物理全体あるいは電磁気分野が未履修の生徒26名に対して「電場や磁場の感じ方〜不均一場の利用〜」と題した講義を行う機会があり,たとえ話を多用しながら,一定の理解を与えることができた。
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