光で無線通信にチャレンジしよう！！ 発表者１：髙橋 龍世（茨城県日立市立久慈中学校２年） 、発表者２：三上 一高等学校附属中学校１年）、指導講師：日立理科クラブ 関山 徹（茨城県立日立第 喜郎、伊藤 喬章 １．研究の目的・意義 東日本大震災の体験から、無線通信の中でも小さなエネルギーで、より遠くへ情報を伝達可 能な光通信について、テーマ研究として取り組むことに大きな意義があると考えた。 ２．研究の方法・プロセス（アイディアの検討） 「光ワイヤレス・マイク送受信パーツセット」を、光通信の送受信回路キットとして使用す ることにした。自分の手で送 受信機を作り、長距離での双 方向通信を成功させるには、 いくつか問題点があった。 これを解決するためのア イディアを検討した。(表１) 問 題 点 キット付属の高輝度ＬＥＤでは、出力 が小さく長距離通信に不向き 赤色レーザーは長距離になると、ビー ム光径が広がり、受信レベルが低下し てしまう 双方向通信を行うための広い試験場所 が少ない 長距離通信実験において、受信状態の 確認がイヤホンでの音声のみ 表１ 解決のためのアイディア 送信モジュールを赤色レーザー発光モジュールに変更すること により、長距離通信に対応 広がったビームを集光させるため、受信側のフォトＩＣの前に凸 レンズを置き、広がったビーム光径をフォトＩＣに集光し、受光 させる 鏡を利用した反射方式により、限られた室内の試験場所でも、通 信距離を確保する 受信回路にオシロスコープを接続し、受信電圧を波形として観測 することにより、微弱な信号も確認可能とする 問題点解決のためのアイディア検討 製作する送受信機の回路システムブ ロック図(図１)のとおり、送受信回路 を組み立て、完成した２セットの送受 信機で長距離での双方向通信実験を実 施した。数メートルの距離から行い、 徐々に通信距離を伸ばしていく形で実 験を進め、室内での実験段階では、限 図１ 送受信回路のブロック図 られた空間で距離を確保するために、鏡でレーザー光を反射させる反射方式も実施した。 ３．実験計測と検証 最終目標である長距離での双方向通信実験(写真 １)では、想定どおりレーザー光は広がりぼやけ、発 光時３ミリだった光の直径が受光時には８０ミリま でに拡大した。これを凸レンズにより、焦点距離１ ６０ミリに設置したフォトＩＣに集光することがで きた。(図２) また、受信機に接続したオシロスコ ープにより、１ミリワット以下の微弱な信号も波形 として観測することができ、波形が変化する様子も 写真１ 屋外通信実験の様⼦ （105.5m 通信成功時） ⾚⾊ﾚｰｻﾞｰ 発光ﾓｼﾞｭｰﾙ 写真２ 波形観測の様⼦ 凸ﾚﾝｽﾞ レーザー光 3mm径 確認することができた。(写真２) ４．まとめ（結果の考察と今後の展望） 図２ ﾌｫﾄIC 80mm径 ⻑距離通信 105.5m 凸レンズによる集光⽅法 焦点距離 160mm １０５．５ｍの双方向通信成功により、アマチュア無線クラブ MVAC が 認定する「光空間伝送１００ｍ賞」を認証取得することができた。 （写真３） 送受信機を更に小型化し、携帯することができれば、災害発生時に実際に 役立つのではないかと考える。１００ｍ通信実験では、レーザー光を１０ ０ｍ先の受信機に正確に当てる点が大変苦労した。凸レンズより大きな面 積で集光可能なパラボラアンテナを使用するなど今後工夫策を検討してい たい。また、無線通信に必要な資格を取得し、色々な無線通信技術を学ん でいきたい。 写真３ 光空間伝送 100m 賞 中学１―① ソーラーオーブンで目玉焼き 清真学園中学校 発表者 内堀 雄斗(中１) [目的・動機] 夏の暑い日、川原の太陽光で焼けた石の上を裸足で歩くと、熱くて飛び跳ねそうになった。その時、こ の熱くなった石の上で目玉焼きが焼けるのではないかと思い、実際にやってみた。結果は干からびただ けで、目玉焼きは焼けなかった。そうなると、どうしても太陽光で目玉焼きを焼きたくなり、ソーラー オーブンの研究をすることにした。 [材料と方法] ソーラーオーブン：発泡スチロール板，アルミ箔，アルミテープ，アクリル板，鍋，アルミ缶，ペッ トボトル，スプレー塗料（黒），鍋敷き 図１ ソーラーオーブンの構造 図２ ソーラーオーブン 図３ 作成した鍋敷き。 作成したソーラーオーブン（図１・図２）を使用し，水の温度上昇を一定時間ごとに計測した。ソー ラーオーブン使用の有無，容器の色（黒と透明），光を反射させる傘の有無，鍋敷き（図３）の有無で比 較した。また，卵・野菜・イモを入れ，その変化を観察した。 [結果] 図４にソーラーオーブンの有無・ペット ボトルの色の条件を変えて計測した温度を示す。 図４ [考察] ソーラーオーブンの実験は快晴でなけ ればならない。黒い容器をソーラーオーブン内に 置くことで集熱力を高めることが分かったが、温 度を測るために、何度もアクリル板を開けてしま うと、熱が逃げ、思ったほど温度が上がらないこ とがわかり，60 分間は開けないことにした。光 を反射させる傘が有る無しで，上昇した温度に 23℃の差が出たことより，集熱に光を反射させる ことが大変重要だと分かった。太陽光を集め、黒 い容器に吸収させると 80℃近い高温を作り出せることが分かった。 卵・野菜等の食材を，このソーラーオーブンで十分料理できることが分かった。 難点としては，太陽が雲に隠れてしまうと、とたんに集熱力が落ちること，最高に温度が上がってい ても 80℃くらいであること，熱くなるまでには時間がかかること，太陽が動くので微調整する必要が有 ることである。 中学１－② フラップの開発 茨城県立並木中等教育学校 十川 嘉向（２年次） 指導教員 粉川 雄一郎 【はじめに】 昨年度の研究において，フラップ角と飛距離の関係を調べたが，フラップの形式は１種のみで，フラッ プの形式によってどう変わるは調べていなかった。そこで，今回は在来のフラップ６形式，対照実験の基 本翼形１形式，考案した２形式のフラップでそれぞれ実験してみようと思った。 【研究の目的と方法】 揚力が多く発生し， 効力があまり発生しないフラップの形式のモデルを選定する。 それぞれの揚力係数， 抗力係数は米国 MH-Aero 製の JavaFoil という翼形解析ソフトを利用し，それぞれの性能を出した。また， 解析の際の条件は仰角３度，フラップ角は５度とし，基本となる標準翼形は TsAGI“B” とした，解析す るフラップは①標準翼形 TsAGI“B” ②単純フラップ ③スプリット・フラップ ④ファウラー・フラッ プ ⑤スロッテッド・フラップ ⑥ダブルスロッテッド・フラップ ⑦トリプルスロッテッド・フラップ ⑧剥離防止型フラップ ⑨キャンバー増加型フラップ の９である。 【研究内容】 実験するときの条件は，仰角３度，フラップ角５度とした。 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 揚力係数（CL） 抗力係数（CD） 表１ 各形式のフラップの揚力係数と抗力係数 【考察】 キャンバー増加型フラップについて，揚力係数は同等で抗力係数を約半分にすることができたが，構造 が複雑になった。単純フラップに代わるフラップの形式にはならないと考えられる。 剥離防止型フラップについて，揚力を減らし抗力を増やす結果となってしまった。これについて，剥離 を防止するためには速度が大きく気流の方向を変えると抵抗が大幅に増加する主翼上よりも，スラットの ように主翼前面のほうが高い効果が出ると考えられる。 結果から，揚力係数の高さと抗力係数の低さを両立しているスロッテッド・フラップとファウラー・フ ラップがフラップとしてよい形状のモデルだと考えられる。 【反省と感想・課題】 英語のプログラムで，操作に手間取ったので改善したい。また，条件を変えて試してみたい。 【参考文献】 『航空力学の基礎』 牧野 光雄 『鳥と飛行機どこが違うか』 ヘンク・テケネス 中学１―③ 備長炭電池の改良 茨城県立並木中等教育学校 富重歩(１年次) 【動 担当教員 大村千博 機】 備長炭電池は，備長炭を使った化学電池で，身近なもので作れる電池として知られ、実 験方法もよく本やインターネットにのっている。しかし，実験で使用する材料は，ほとん どが同じであった。そこで，備長炭電池製作に使用する材料や水溶液の濃度などの条件を 変え，備長炭電池の発電量をできるだけ大きくしようと思い，本研究を行うこととした。 【目 的】 備長炭電池製作に使用する材料や濃度などの条件を変えていき，備長炭電池の発電量を 大きくする。 【仮 説】 水溶液の酸性が強い順に，発電量が大きくなるであろう。アルミニウムを酸性で直接溶 かせば，電子の流れる量が多くなると思うからである。 【実験方法】 ①食塩水，レモン果汁，薄い塩酸を用意した。 ②上記の水溶液をキッチンペーパーに染み込ませ，備長炭電池を作った。 ③それぞれの電圧を測り，水溶液の酸性の強さと備長炭電池の発電量の関係を調べた。 【結 果】 表１．さまざまな水溶液と電流と電圧の値 図１．備長炭電池 水溶液の酸性が強いほど，電流は大きくなったが，水溶液の酸性の強さと電圧は関係が なかった。中性である食塩水が安定した電圧を維持していた。 【考 察】 水溶液の酸性が強いほど電流は大きくなるが，電圧は変わらない。これは，流れる電子 の量が多いほど電流は大きくなるが，電子の量と電圧はあまり関係がなかったためと考え られる。 【今後の課題】 これからさまざまな条件を変えて実験を重ね，発電量の大きな備長炭電池の条件を探っ ていきたい。 中学１－④ 賢い「お掃除ロボット」を自分で作って動かそう！ 日立市立十王中学校 田中龍之介(2 年) 指導者 嶋田智（ＮＰＯ法人日立理科クラブ） ・研究の動機と目的 近頃、家庭で普及し始めたお掃除ロボットの構造・仕組みを知りたいと思 ったのが本研究の動機だ。そこで、プログラムロボットに加え、リモコンで稼働させる機能を追 加し「効率的にゴミ収集が出来るロボット」の創作に挑戦した。 ・お掃除ロボットの掃除機構の設計 まず、市販の自動掃除機について調べ、駆動実験や分解を 通して製品のハード面での工夫されている所を参考にして、ゴミを収集する掃除機構を設計し、 身の回りにある材料を用いて左図に示す掃除機構を試作した。 ・課題：効率の良いゴミ収集 ・掃除機構の工夫（１）吸引口からゴミを誘導する斜板を設け,ゴミ溜めに効率よくゴミを溜める。 （２）隅のゴミを取るためノズルを付ける。 （３）ゴミ溜め部を本体に着脱可能な構造としゴミ捨てを簡単化する。 ・ロボットの工夫（１）昨年に研究に加えて、プログラムとリモコン併用による駆動で効率良 くゴミを収集する。 ・新たな問題 ・解決方法 斜板による流体抵抗の増加によってゴミの吸入量（空気流量）が減少する。 流体抵抗が最も大きい吸入口の寸法を変えて、ファン回転するモーター駆動電圧と ゴミの吸引圧力の関係を実験し、これに基づいて吸入口の寸法を最適化した。 ・実験結果 試作した掃除機構を プログラムロボットに合体させ、 右図に示す稼働実験を行い,効率 良くゴミを収集することができた。 ノズル ・まとめ 本研究を通して、ロボ ットの基本的なハード構成である センサとモーター及びマイコンとプログラムの概要を理解することができた。本研究の当初の目 的は達成されたが、車体前方の障害物に対する問題など実験によって改善すべき点が分かったの で、今後、改良と充電機能などの工夫を含めて研究を続けていきたい。 中学１―⑤ 自立型サッカーロボットの開発 河村 茨城県立並木中等教育学校 祐 弥 （ ３ 年 ）， 武 山 侑 輝 （ ３ 年 ）， 粉 川 雄 一 郎 ， 村 越 健一 【はじめに】 ルールは２～４台の自立型ロボットをサッカーコート上で対戦させる。ゴールは青か黄 色、ボールはパルスの赤外線が発光している。これらを、センサで読み取りロボットを動 か す 。ロ ボ ッ ト は 、ボ ー ル の 動 き を 止 め る こ と は で き ず 、本 体 を ぶ つ け て ボ ー ル を 転 が す 。 【開発の動機】 僕たちは以前から電子部品をつかった自立型ロボットの製作を行いたいと考えていた。 そこで、ロボカップジュニアの記事を見つけ、近隣の学校も参加していたのでこの大会に 出ることを決断した。 【開発の過程】 今回の自立型サッカーロボットにはマイコン，モータドライバ、センサを搭載させ自分 の位置や、ボールの位置を認識し、最終的にボールをゴールに運ぶという動作を行う。セ ンサは、赤外線センサ、超音波センサ、カラーセンサ、デジタルコンパスを搭載させた。 マイコンはプログラムを入力することで、そのプログラムに合わせた動きを行うことがで きる。それぞれのセンサを比較し、最終的な動きを決定する。次に、開発の過程を記す。 (1)自 立 型 ロ ボ ッ ト を 作 る う え で 、専 用 の C 言 語 開 発 統 合 環 境（ C-style： 図 １ ）を 搭 載 し て い る ダ イ セ ン 電 子 工 業 の キ ッ ト（ TJ3B： 図 ２ ） を 主 と して製作。 図１ C- s ty l e 図３ ベース 図２ TJ 3 B (2)オ ム ニ ホ イ ー ル を 固 定 す る ベ ー ス を 糸 ノ コ で 加 工 。 オ ム ニ ホ イ ー ル の 間 隔 が 120 度 に な る よ う に し た（ 図 ３ ）。重 量 制 限 を ク リ ア す る た め に 、 図 ４ 6 ch モ ー タ ド ラ イ バ 材質を木材から低発泡塩ビ板に改良した。 (3)6ch モ ー タ ド ラ イ バ（ 図 ４ ）と オ ム ニ ホ イ ー ル（ 軸 の 回 転 と 円 周 上 の 回 転 が で き る 特 殊 な タ イ ヤ ） を 接 続 。 6ch モ ー タ ド ラ イ バ は TJ3B と 通 信 を 行 い 、 動 作 さ せ る こ と に し た 。 モータを三つ用意し、そこにオムニホイールを取り付けることで全方向移動が可能にな った。 (4)ボ ー ル を 感 知 し や す い よ う 、 自 作 の 赤 外 線 セ ン サ の 数 を 増 や し た （ ４ 個 → ６ 個 ） (5)初 期 段 階 で は 、バ ッ テ リ ー だ っ た が 重 量 制 限 が オ ー バ ー し て い た の で 、最 終 的 に 、充 電 池 を 用 い る こ と に し た 。土 台 を 発 砲 塩 ビ 板 に す る な ど の 対 策 を 行 い 、重 量 は 規 格 に 収 ま った。 【今後の課題】 スピードを求めるあまり、モータのパワーバランスがずれてしまったので、微妙な調整 まできちんと行えるようにしたい。自作した赤外線センサが不調だったのでマイコンにし っかりと情報が遅れていなかったと考えられる。来年の大会を目指し、プログラムを強化 したい。 中学１－⑥ 支援を考える Vol.3 数理解の支援教材研究 ～非接触型 IC カードと Arduino を用いて～ 東京都調布市立第八中学校 石山 翔雲(1 年) ［研究の背景･目的］ 身近に特別な支援を必要とする人や、未就学児がいる。この人達の為に、2012年度からArduino を用いた支援教材の研究をしている。2012年度は音の大きさ理解の支援教材の研究を行った。2013 年度は、数の理解の為に、数唱と数の概念の⼀致をブロックとArduinoを用いて試みる研究を行っ た。2014年度は、数表記と数概念の⼀致を支援する研究を試みたいと考えた。 ［方法］ 1. 非接触型ICカードとArduinoを用いた支援教材の制作 ① ② ③ スイッチを押すと、出題部のLEDが点灯する事により、出題が行われる 被験者は、該当すると思われる数字が記載されたFeliCaカードを読み取り装置にかざす コンピュータ部（Arduino）で正誤判定を行いログデータに記録し、予め設定した出題 数以上か否かを判断する 設定した出題数に満たない場合は、再度出題を行う ④ 2. 支援教材の効果測定を行う 被験者 A:未就学児 5 歳 被験者 B:特別支援学校児童 8 歳 (ア) １の支援教材を用いて a)1-5 の数 b)1－10 の数 それぞれ 10 回学習する (イ) 全問回答までの所要時間を 1 回測定する (ウ) (ア)(イ）を 1 セットとし、5 セット行う ［結果］ 学習ではスムーズな動作が出来た被験者Aが、効果測定では手先の不器用さが原因で、思うよ うな学習効果を示さなかった。被験者Bは、学習段階では数表記とLEDライトの個数の関連付け が上手く理解できていなかったが、効果測定では学習効果を示す事ができた。被験者A･B共に右 肩下がりの緩やかな学習曲線を示した。（図1、図2） 秒 秒 図１： 方法２a 1から５の数の理解について効果測定 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 図２： 方法２b 1から10の数の理解について効果測定 0 1 2 3 被験者A 4 被験者B 5 回数 1 2 3 被験者A 4 被験者B 5 回数 ［考察］ この支援教材を利用することで、利用者が数理解のどの部分でつまずきがあるのかを探りやす くなる。教材の出題に関する部分を細かく調整することで、様々なつまずきに対応し、利用者の 状態に応えることが可能となる。これにより、更に効果的な支援となり得ると考えられる。 中学１－⑦ 文字列傾斜錯視について 私立清真学園中学校 平山清貴（中１） 【動機】本で文字列傾斜錯視を知り、調べてみたいと思った 【材料と方法】 PC を使用し、文字列を作り，傾斜錯視がおきるかどうか確認する。 以下の図１と図２に作成した文字列の例を示す。 ナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナ マナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマ ナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナ マナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマナマ 図１ 傾斜錯視のおきない例 マナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナ ナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマ マナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナーマナ ナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマーナマ 図２ 傾斜錯視のおきる例 【結果】 文字列傾斜錯視は、横線を使っている文字を３～６文字程ずつ横線の高さ順に くりかえし、一行ほど開け、文字の順序を逆にすることで起こった。 【考察】 文字列傾斜錯視は、文字の繰り返しが長すぎる場合や、文字の繰り返しがない 場合は文字列傾斜錯視は起こりにくいと考えられる。 横線が複数ある場合は、文字列傾斜錯視は起こりにくいと考えられる。 文字列傾斜錯視は文字の横線の高さを段階別にし、段階順に文字列を作ると文 字列傾斜錯視は起こりやすい。 【参考文献】 中学生の理科 自由研究 中学１－⑧ 噴き出す炭酸水 文京学院大学女子中学校 小林 桐子（１年），泉水 萌花（１年） 担当教員名 織田真奈美 「背景」 メントスガイザーとは、炭酸飲料にメントスを入れるとそれが刺激となり、その勢いで水が噴出 するという現象である。 動画で有名になっていたメントスコーラの噴出の仕方を詳しく研究しようと思ったから。 「目的」 メントスガイザーの現象をメントスの個数を変えて、噴出の仕方を比較した。 「方法」 爪楊枝をぬくとメントスが炭酸の容器内に落ちて、メントスガイザーがおきる装置を作り、その 装置を使用して噴出時間とその噴出した液の最高点の高さを測定した。 「結果」 メントスの個数と噴出時間には反比例の関係があったが、高さには規則性はみられなかった。 １個 ２個 ３個 ４個 ５個 噴出時間[秒] 6.0 5.6 5.3 4.0 3.8 2.5 1.5 3.0 2.0 2.8 高さ[ｍ] 表 1 容器にいれたメントスの個数と噴出時間と高さの関係 図 1 メントスガイザーの様子 「考察」 メントスの個数を増やすと、単位時間あたりの反応量が増え、飽和していた二酸化炭素を素早く 気化させてしまい、噴出時間が短くなったと考えられる。 「結論」 高さに規則性がみられなかったので、測り方を変え、また何度もやって正確性を高め、再度実験 してみたい。 中学１－⑨
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