| 研究課題/領域番号 |
25350186
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 宮城教育大学 |
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研究代表者 |
千葉 芳明 宮城教育大学, 教育臨床研究センター, 協力研究員 (40113881)
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| 研究分担者 |
本田 亮 鳴門教育大学, 学校教育学部, 教授 (50199577)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 物理教育 / 応用物理教育 / 光と電気教材 / 実像観察 / 物理授業プログラム開発 / 電球とLEDの相違点 |
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| 研究概要 |
[実像の観察から始める結像の授業プログラムの開発]はじめに小型の凹面鏡を用いて実像を観察する。本物のように立体的な像が見える現象を考察した。物体の大きさ、両目の間隔、視点を移動しても像から両眼に光が届くことがポイントであることがわかる。反射の法則を用いて、凹面鏡の焦点の概念を理解できれば、像のできる位置を予測することができ、凸レンズと同様に、結像のしくみの興味と関心を喚起することができた。
次に凸レンズによる実像はなぜ立体的に見えないか、立体的な像を作るにはどのような条件が必要かを追究する授業プログラムを実践した。一般に凸レンズの場合には、大きな立体角で像に光線を集めることは困難である。そこで、面積の広いレンズを用いた。両方の目に像からの光が到達するなどの条件を作図などから考える授業案を考案し，実践した。<教員養成大学での授業＞
[電球とＬＥＤの相違点から始める金属と半導体の授業プログラムの開発] 100V‐100Wの電球の抵抗はいくらか。2.5V‐0.3Aの豆電球の抵抗はいくらか。この問いに答えるために、始めに 乾電池を用いて豆電球を点ける回路をつくり、回路の電圧と電流関係を調べる導入実験の授業プログラムを開発し授業実践を行なった。①定電圧電源または定電流電源を用いて、豆電球に流れる電流と電圧の関係を調べる。観測結果から電圧と電流の関係、電圧と抵抗の関係、電圧と電力の関係が得られる。これらをもとに豆電球 のフィラメントの温度上昇を予測する教具を研究した。＜金属の電気抵抗の学習教材＞②次にLEDの電圧と電流の関係 を調べる。観測結果から電圧と電流の関係、電圧と抵抗の関係、電圧と電力の関係が得られる。これらをもとに LEDの特性を考える。③これらの導入実験を展開するため、金属と半導体の電気抵抗が温度にどのように依存するか簡易に調べる教材を用いた授業を研究した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究課題[実像の観察から始める結像の授業プログラムの開発]では、宮城教育大学の初年度の学生を対象とした授業で、授業プログラム案の一部を実際の授業で実施することができた。また、研究課題[電球の光とLEDの光の相違点から学ぶ光と色の性質を学ぶ教材と授業の研究] では、電球光の色とLED光の色が電圧によって変化することに留意しながら電流と電圧の関係を追究する実験プログラム案を研究した。
さらに太陽電池をセンサーとしてひかりが横波として伝わること、および光波の振幅と明るさの関係を探究する授業プログラムの展開例を創案した。（2013年度、日本物理教育学会第３０回物理教育研究大会発表予稿集ｐ44-45）
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| 今後の研究の推進方策 |
[電球光とLED光の相違点から光と色の性質を学ぶ授業プログラムの研究]電球光の色と、LED光の色を観測する。相違点を調べるために、スライドプロジェクターを用いた分光の授業を開発する。主な内容は①プリズムや回折格子を用いて光を分光する実験を行う。可視光の中心に位置する緑色の光が簡単には現れないことを機器の操作や観察位置を変えて体験的にを理解させる②光の３原色やインクの３原色の相違点から、光の加算や減算で色の性質を学ぶプログラムを構築する。③電球の光の色は電圧が低い時には暗く赤く見える。電圧を大きくすると、電球は明るくなり、夕焼けのような橙・黄色の光から白色光に変るの色の変化は①で用いた簡易な分光器具で観察することができる。<小中学校での教材＞ 学習のポイントは、電球のフィラメント高温になると発光することである。また温度変化によって光スペクトルが変わることも重要である。フィラメントが融解して切れる直前のスペクトルと太陽光のスペクトルを比較すると、太陽表面の温度がフィラメントの融点の温度より高いことを理解することができる。<高校の教材＞
[太陽電池を用いた半導体の電流－電圧特性と光電流を理解する学習プログラム]１）光を照射しない太陽電池の電圧と電流の関係を調べる。電圧と電流の関係が指数関数的に変化することを観測する実験教材を観察する。太陽電池に流れる電流が小さいので指数関数的に増加することを確認するには微小な電流の変化を読み取る工夫が必要である。＜高校実験教材＞ ２）太陽電池に光を照射した場合には光電流が発生する。この光電流の大きさが照射光の強さに比例することを示す実験教材を用いた授業を実践し検討する。（光パワーメータを使用）＜中学・高校教材＞ ３）次に太陽電池を光センサーとして、光の明るさや光のエネルギーを学習する教材を開発する。（本田・千葉）
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| 次年度の研究費の使用計画 |
授業プログラム課題の実践の手順を検討して、平成２６年以降の実践や教材開発に合わせて必要な物品を必要数購入する必要が生じため。
結像の授業プログラムについてはプリズム、凸レンズ、鏡など光学教具や物品を実践する授業に合わせて規格や必要数を検討して平成26年度に購入する。また、電球とＬＥＤの授業プログラムについては、これまでの教材開発用教材と実践授業用の教材を仕分けして購入する。具体的には平成26年および27年以降の授業の実践計画に従って、30人程度のクラス授業に必要な各種豆電球、ＬＥＤなどを規格の異なる発光素子を系統的に購入する。
さらに、27年以降の小中学校および高等学校における授業プログラム開発を検討し、必要なパソコンや接続可能デジタルマルチメータ、光パワーメータなどの機器や光学材料の加工や研磨などに使用する予定である。
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