物理基礎の電磁気学�@（閉回路と電流）

はじめて物理基礎での電磁気学の授業です。
いままでの彼らを見ると，小学校・中学校の学習が定着しているようには見えません。 ですので，１からチュートリアルの要素を取り入れていこうと考えました。 しかし，チュートリアルを40人以上のクラスで行うことは難しいので， ILDｓのように，課題を出しながら解決していこうと考えて構成を考えましたが， どのような反応が返ってくるかわからないので， プランとしていまいちスッキリしていないかもしれません。 楽しみながら授業をしていこうと思います。

物理基礎の電磁気学（反省）もみてください。

参考文献
・「電磁気の学習報告」石井登志夫　物理教育通信2013No.152
・「TUTORIALS in Introductory Physics」 Lillian C McDermott, Peter S. Shaffer and the Physics Education Group

１．導入

２学期もよろしくお願いします。 ２学期の中間考査までは電磁気学です。 電気の分野が苦手な人？
（生徒の６〜７割が手を挙げる）
そうなんだよね，結構苦手な人が多い分野です。 でも１つ１つ確認しながら進んでいくつもりなので， よく考え，よく発言しながら取り組んでください。 ちがったイメージを持っていることが多いので， 自分のイメージと合っているか確認していく必要があります。 何度も質問します。考えるのが面倒だと思わないで， 積極的に発言してくれればと思います。

２．課題１「閉回路」

巡回しながら，生徒を指名して黒板に描かせる。

生徒の予想

※このクラスは生徒を選んで黒板に書かせるのが早過ぎたため， この時点で意見が偏ってしまいました。他のクラスでは， 左から3番目が５〜６人，一番右も7人くらいは出ていました。
※結局わかっていない者は，まわりを見て書いているので， 納得できる予想があるとそれを写しているのだろう。 だから，予想の人数がクラスによってばらつく
※当然○とか×は実験してから記入しています。

これ以外の回路を予想した人はいる？いないの？ じゃあちょっと回るぞ。…ほら，ちがうじゃん！ 電池のプラスとマイナスが違うじゃない！
S君：「それって影響あるんですか？」
ないです。
S君：「…」
まあ違うなら言ってくれってことです。 今回は同じ結果になりますが，違うこともあるよ。

では，どれかに手を挙げてください。（集計結果は上の画像）

�Bはちょっと特殊ですね。S君は�Bですが，これは導線1本？
S君：「1本です。」
これは点くかな？じゃあ，特別に真ん中だけ被膜をとってある導線を 貸してあげるからあとで試してね。 では，�@にした人は�A〜�Cでは豆電球は点かない？
I君：「点かない！ネジっぽいところは飾りだから！」
飾りなのかー。ここは意味がないということね。 では，N君は�Aだけど，�@では点かない？
N君：「つきません。それではショート回路になっているからです。」
なるほどね。ショート回路なの？
N君：「豆電球の中は線が片方は下について，もう片方は横に付いているかです。」
こういうこと？

N君：「そうです」
なるほどね。S君どうですか？
S君：「�Aに変えます。」
いいの？ああそうですか，飾りではないと。

OK。では，実際に回路をつないでみてください。

S君，君の回路は点いた？
S君：「つきません。」
ということで，正解は右から�Aと�Cでした。

では，「どうすれば豆電球は光って， どうすると豆電球は光らないのですか？」

ではN君。
N君：「グルッと回らないと点かない。」

そうですね。「つながる」ってことがポイントです。 つながるってどういう意味？
一周，こうやってグルッとつながるんですよね。 これが一周グルッと回れないとつながらない。
つまり，回路が閉じていないと豆電球はつかない！
このように閉じている回路を「閉回路」といいます。

３．電流

このように，豆電球は閉回路になっていれば豆電球は点くってことは，
この回路の中で何かが移動しているって考えられる よね。これを「電流」といいます。

ちなみにW君，この電池の回路のこの導線部分はどちら向きに電流が流れる？

W君：「下向きです。」
なんでわかった？
W君：「えっ，電池のプラスからマイナスへ電流が流れるから」
えっ，なんでわかった？
W君：「授業でそう習いました。」
素晴らしいです。そうなんだよ，習ったんだよ。 つまり，電流は電池のプラスから出てマイナスへ流れるって， 昔の人も定義した。

で，実際には何が流れているの？

４．演示実験：陰極線

陰極線の実験はX線の放射を伴うので， やっても短時間にする。

それで，19世紀後半に，このような実験をしたのです。 これは誘導コイルです。

スイッチを付けると･･･放電が起こります。 だいたい５万ボルトです。
尖った方と丸い方のどちらがマイナスかわかりますか？

どちらがマイナスか何てわからないよね。 教えてしまえば，尖った方がプラスで，丸い方がマイナスになっています。 真空管にこの電源をつなげてあげます。

これは壁にぶつかって光るようになっているので， 軌跡がわかりやすくなっています。 で，これはどっちへ進んでいる？そう，わからないよね。 今度の真空管には十字の金属がついています。 十字の方をプラス，反対側をマイナスにつなげてみますね。

すると，プラスの十字の後ろに影ができているのがわかるかな？ ということは，マイナスの方からプラスの方へ何かが飛んでいる ということだね。

今度は，羽根車のついた真空管にしてみるね。

羽根車がこっちに回転しているってことは， 左から右に何かが飛んでいるわけだね。 しかも，回転させられるってことは， 何か質量をもったものだと考えたわけです。 でも，目に見えないから，相当小さい粒子が飛んでいる。 と昔の人は考えたのです。
でも本当は間違いなんです。この羽根車がまわるのは， 質量のある電子がぶつかってというよりも， 「ラジオメーター効果」といってぶつかって羽根の一面が熱せられて， まわりの気体と相互作用するためなんです。

はじめの真空管にもどしてあげて， ここに，磁石を近付けると…

こうやって下に曲がりました。 ここでは詳しく説明しませんが，フレミングの左手の法則を覚えている？ そうそう，電・磁・力ね。あれで考えると， 下に曲がるということから，「この粒はマイナスの電気を持っている」ことがわかります。

つまり，「電流が流れる」ということは， 「電流とは逆向きに小さい粒々が移動している」ということなんです。
そして，この小さい粒々を「電子」と名付けました。

５．課題２「パンタグラフ」

では課題２を考えてみてください。

生徒の予想：

ちなみに，�Aはどういうこと？
N君：「スマホの充電みたいに，上にのせれば電気がたまるというわけです。」
なるほど，難しいこと考えるね−。これはちょっと難しいので， ちょっとほっときましょう（笑）。

結果からいうと正解は�Cです！
ポイントはループになっていないと電流は流れないってことだよね。

生徒：�Cを見て，「あぶないんじゃない・・」
危ないかな？では，課題１で裸の導線で次のように組んだら，豆電球は点く？

生徒の予想：つく（１１人），つかない（３０人）

A君：「回路がつながっているからつくんじゃないですか？」
O君：「つながっているけど，電流はフィラメントの方にはいかないからつかない。」
なんでフィラメントの方にはいかないの？
O君：「そっちのが抵抗が大きいからです。」
すばらしいですね。それが正解。

元に戻ると，踏切で転んで片手をレールについたとします。 これはまあループになっていないといえばいないので， 流れなさそうでしょ。実際にはそれだけでなく， 地面との接触を考えなければならないことがあるけど， いまは置いときます。とりあえず流れません。

では，転んで両手をついたとすると…
生徒：「流れない！」
わかるかな？さっきの豆電球のケースと同じだよね。 レールよりも流れにくい私をわざわざ電流は通らない。 だから大丈夫です。 まあ，そんなことで感電するような設計はしないよね。

６．まとめ

では，課題１と２から言えることと，感想を書いて， プリントを提出して教室に戻ってください。

生徒の感想： ・おもしろかった。
・やっぱり電流はむずかしい。
・はじめて豆電球の中身を知った。

授業を終えて。。。
・こうやって書き出すと，授業が下手なことが明らかになっていやな気分になって， もう1回やらせてくれといいたくなりました。 （しかもここで書いているのはうまくいった方です。）
・急いでやったクラスはもっと進めたが，発言が乏しかった。 逆にゆっくりやり過ぎて，陰極線ができなかったクラスもあった。 このクラスの流れが一番しっくりきた。
・他のクラスで，「レールは膨張するから切れているじゃないですか？」 という質問をくれた生徒がいた！素晴らしい！

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