視覚的力表示器 並びに 力表示理科教材及び科学玩具 宇都宮大学教育学部 教授 伊東明彦 発明の概要 z z z 中学校理科・高校物理の教材である 学習後の中学生の実態 既存の教材 • ばねばかり • 加速度表示器 • 力を表示する装置は 存在しない z 力を直接表示したい 「慣性の法則」に関する調査問題 z はたらいている力を矢印で描きなさい 氷の上に箱が静止して いる場合 氷の上で箱が右向きに一 定の速度で動いている場 合 「慣性の法則」学習後の生徒の回答 0% 20% 40% 60% 80% 100% 静止 等速直線運動 両方 ほぼ正解 重力のみ 抗力のみ 余計な力 無記入 その他 ばねばかりで力を測る 斜面にある台車に働く力の測定 加速度計 z 矢野，半導体レーザーを使った加速度計， 物理教育，４４，１，３－６，１９９６． 原 z 理 ブロック・ダイアグラム ３次元加速度 センサー モジュール ＰＩＣ アンプ・ フィルター ＬＥＤ表示器 • ３方向の加速度を計測 • フィルタリング，増幅 • PICで信号処理（AD変換，演算） • LEDで表示 ｢Fi-Cube｣回路図 VD 1 5 C1 7 5 R1 GND C3 C2 R1 9 9 C4 1 SW2 6 18 10 8 C5 16 1 14 9 7 8 8 10 R2 R2 VD 7404 C3 C2 R1 10K R1 VD 74137 1 3 PIC16F88 4 2 C1 8 10K KXM52 1 VD OSC SW1 LM324 VD GND C3 GND GND GND 30 1 9V C6 LM2940 2 3 C7 GND VD X＋ 3K 3K 3K 3K 30 X－ 51 R1:1M，R2:4.3M C1:0.002，C2： 0.001，C3： 0.001 C4:0.02，C5:0.01, C6:0.47, C7:22 3K X＋ X－ LM324: 4 → V+(9V), 11→GND 3K Ｙ＋ 51 Ｙ－ 51 Ｚ＋ 51 Ｚ－ 1 2 3 LED 4 5 2SC1815×6 GND ｢Fi-Cube｣ ｢Fi-Cube｣の内部 加速度センサー・モジュール z 秋月電子(株）製 初期化 ソフトウェアの 流れ センサーの自動更正 3軸の加速度A/D変換 x,y,z軸の力表示 ｚ軸の重力表示 斜面モード？ N Y ｘ軸の重力表示 リセット？ Y N 利用法 z 静止時 z 等速直線運動 z 加速度運動 z 斜面 z 投げ上げ・自由落下時 • 重力を表す下方向の点灯 • 垂直抗力を表す上方向の点灯 • 静止時と同じ • 加速方向の力を表す点灯 • 斜面に平行な力と，垂直な力 • 重力のみ 静止 の表示 手で押したとき の表示 垂直効力 重力 垂直抗力 重力 手が台車を 押す力 斜面に置き手で支 えたときの表示 垂直抗力 手が台車を支える力 斜面を走っている ときの表示 投げ上げ・自由落下 Fi-Cubeの独自性 z 加速度を測定し，表示するだけでは．．． • 重力は表示されない ↓ • 重力を人為的に表示する必要がある z Z軸方向の出力で傾きを算出している • Z軸方向に加速度運動してはいけない ↓ • Z軸方向のみローパスフィルタの時定数を長く している 制限事項 z Ｚ方向には加速度運動しないという前提 • Ｚ方向の加速度の大きさで｢傾き｣を判断して いるため • 重力を表示するために必須 z z ↓ 斜面の運動では，Ｘ軸を斜面に沿った方 向に設定しなければならない 自由落下・投げ上げ運動では，X軸を鉛直 方向にあわせる必要がある 「Fi-Cube」を用いた授業実践 z z z 期間：平成20年度6月および7月 対象：附属中学校3年生 • 「Fi-Cube」を用いた授業 • 附属中教師による授業 2クラス =実験群 2クラス =対照群 結果 • 学習直後の正答率は，実験群が対照群に比 べ有意に高い ↓ 生徒の理解を改善する可能性が大きい 試行授業の実践 －事後調査（直後）の正答率－ 実験群 対象群 100 90 80 70% 正答率(%) 70 60 50 42% 40 30 20 10 0 調査：慣性 調査：斜面 想定される用途・業界 z 理科教材 z 科学玩具、教育玩具 z 計測表示器 企業への期待 z 教材や玩具への実用化 z 量産化によるコストダウン z 新しい用途開拓 本技術に関する知的財産権 z z z z 発明の名称 ：視覚的力表示器並びに 力表示理科教材及び科学玩具 出願番号 ：特願２００８－２２９３４８ 出願人 ：国立大学法人宇都宮大学 発明者 ：伊東明彦・渡辺一博 お問い合わせ先 宇都宮大学 知的財産センター長 山村 正明 ＴＥＬ ０２８－６８９－６３１８ ＦＡＸ ０２８－６８９－６３２０ e-mail [email protected]
© Copyright 2024 ExpyDoc
