2015年12月27日日曜日

ULTRA7 豆電球星人の侵略

豆電球の実験(中学二年生理科)


豆電球星人は激怒していた。
”なぜお前らは実験の準備をしていないのか!”
それはとても立派な理科の先生だった。授業と言えば毎日実験ばかりで、僕らはその教育に苦しんだ。先生は毎日をご立腹でいらして、僕らには教科書に書かれたことは何も教えることも指導もされてなかった。”とにかく実験をやれ!”と怒鳴られ、おっかない顔で脅され、恐怖心に支配された僕達は必死に頑張っていた。


豆電球の抵抗値は、流す電流値で変化してしまう。豆電球はその電気的特性ゆえ、オームの法則に従った一定抵抗値であることはできない性質を持っている。このためオームの法則を豆電球点灯の電圧と電流から導き出すことは、中学生には難しい問題である。しかし最初に結論ありき。オームの法則は教科書に書かれており、先生は、豆電球を複数使って、オームの法則が成り立つ実験結果を出して発表することを僕らに要求された。


僕らは困った。
まずは実験器具が何も無いのだ。豆電球も電池も測定器、配線材料も・・・何もない。それらの実験機材は実験室隣の倉庫である理科準備室にあったのだが、豆電球星人はその存在を秘密にしていたのだ。実験の準備ができなければ、僕らは全身全霊をかけたこっぴどい怒鳴りを受け、激しく虐められることになる。


僕らは班長に指名されていたので、すべての責任は班長達にかかっていた。友達が何人も僕の家に集まって来てくれていたのは今にして思えば、あの剣幕に対処するには実にありがたいことだった。学校が終わると僕はその友達らといっしょに電気店を市内を全部まわって、豆電球、リード線等、6班分を親からもらったお金で買ってきた。


だが、電圧計と電流計は、さすがに街の電気屋さんには売っていない。あったとしても高くて買うお金が僕らにはなかった。かろうじて僕は(針式アナログ)テスタを一個だけ持っていたので、これを学校に持っていくことにした。しかし、それには問題があった。テスタ一台では、電流と電圧を同時に測定することはできず、電圧と電流の測定時には、テスターレンジを変え、かつ配線を電圧測定と電流測定の度に交互に変更する必要があったのだ。それでは測定時の回路実験条件が異なってしまう。僕はその実験条件不一致問題で怒鳴られることを恐れていた。


その後、友達がどこから聞きつけてきたのか、理科準備室に実験装置器具が各種置いてあるというのだ。だが鍵がかかっていて準備室に入れないので、その測定器の存在を確認できない。どういう経路かわからないが、ある友達がその理科の豆電球星人を回避して、準備室の鍵を学校の他の先生から借りてきた。僕らは密かに準備室に忍び込み、電流計と電圧計を6班分持ち出し、理科実験室に移動して実験用机上に配置した。電源装置は小学校では理科室のガラス棚にあったのだが、中学校には無かった。このため、僕らは、単一電池をたくさん買ってきて、電源装置の代わりにした。


実験は、みんなで配線するが、手を出せない人も出てしまう。電池の直列個数の電圧x豆電球の個数の組み合わせで、電圧計、電流計の値を読み取り、”抵抗=電圧÷電流”(R=V/I)の式に合うように、プロットした測定点のばらつきが平均するよう、比例するI-Vグラフを無理やりでっちあげて書いた。
しかしこれは本当はそもそも間違った教育だった。電池の個数を固定して、電球の個数を増やしていくと、だんだん電球は暗くなってくる。フィラメント温度が低下してくるわけだから、電球の抵抗値はだんだん下がっていたはずなのだが、無理やり比例のI-Vグラフを書かなかればならならない結論を求められていたので、そんなことを考える余裕はない。教科書にも豆電球の抵抗が電流値で変化する特性は、何も書かれてなかった。


この電球を使ったオームの法則の中学教育は、後の高校3年の物理で致命的なミスに気づくことになった。国立大学試験の物理で、豆電球の電圧対電流のグラフが直線になっていない曲線グラフから、抵抗値がどのように変化しているかをグラフから読み取り、与える電圧で変化する豆電球の抵抗値を計算することができなくなる混乱する罠にはまったのだ。
あの中学理科教育での豆電球の実験は、豆電球の抵抗は一定で変化しない、という思い込みを必然的に脳裏に深く植え付ける。その先入観から、生徒は問題の落とし穴にはめられれる結果を引き起こしていたのだ。



関連資料:
豆電球とオームの法則
http://mitizane.ll.chiba-u.jp/metadb/up/AA11868267/13482084_63_7-11.pdf

電球が光るしくみ

光源の物理1(熱放射)



光源の物理1 続(白熱電球)


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