カシオ学園 小学校 CASIO GAKUEN Elementary school

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カシオEX-F1でウェーブマシンを撮る

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高校1〜3年理科デジタルカメラ

波の性質を可視化するために
ハイスピードカメラを活用。

波動現象を映像・画像でわかりやすく伝えます。

  • 神奈川県立厚木高等学校
  • 水上慶文先生

(本文は『理科教室』誌2009年8月号からの転載)


使用製品

EX-F1
ハイスピードエクシリム
<EX-F1>
使い方ガイド

概要

  • カシオEX‒F1 を使ってウェーブマシンの様々な動画(高速、普通速)とスローシャッター(1 ⁄ 60 秒)静止画を撮影してみたので報告する。
    事前に「何を教えるための映像(画像)か」を列挙してから撮影に取りかかった。

    撮影してみると、不要な(実物を見せれば十分)ものも多かったが、媒質の速度や定常波などは映像・画像を用いると教えやすいことがわかった。なお、映像の提示は、EX‒F1 のビデオ出力をプロジェクターに送る(付属の専用コードを利用)と、コマ送りやシーンの拡大などが容易でありパソコンより使い勝手がよい。

  • 図1 布で覆う前の様子
  • 撮影のワザ

    • ウェーブマシンの棒の先端に蛍光塗料を塗り、ブラックライトを当てた(図1)。
    • 目立たせたくない部分を黒布で覆った(図2)。
  • 図2 背景を黒くし、不要な部分を隠す

目的と映像(1):υ=λ ⁄ T、υ= fλの導出

  • 授業の進行

    • 波は等速で伝わるので、その速さは、
    • 目立たせたくない部分を黒布で覆った(図2)。
    • (図3 の(a)→(b))波源が1 往復して周期T〔s〕経過するごとに波は波長λだけ進むので(ここで図4 の映像を流し、一番上の状態でpause して確認)、 その速さは
    • 図3 の(a)→(c))1〔s〕の間に波源は振動数と同じf 回だけ振動してf 個の波を作り、波の先頭は1 秒間に距離f λだけ進むので、 (映像再開→図4一番下でpause) その速さはυ= f λになる。
  • 図3 υ=λ⁄ T とυ= fλを導く 図4 300fps のスローモーション映像

目的と映像(2):正弦波を伝えている媒質の速度(速さと方向)を示す

    • ウェーブマシンの1 本の棒にビニールテープ(青色にした)を巻き、手を単振動させて、正弦波ができていく様子の映像を撮影する。(普通速と300fpsのスローモーション)
    • (図5 上)普通速の映像を流して途中で止めると、媒質の速さは山や谷で0(点として写っている)、変位0 のところで最大(ぶれて棒状に写っている)であることがわかる。
    • (図5 上→下)矢印付きの点(青色のビニールテープを巻いた)に注目させ、波が少し進むと上向きに移動することから、この点の運動方向は上向きであることが容易にわかる。(授業では、「変位0 の媒質の運動方向を知るには?→少し後の時刻の波を描こう」と教えている。)
  • 図5 媒質の速度を示す普通速映像
  • 目的と映像(3):波の重ね合わせ(図6)

    • これはスローモーション映像を用いると説明しやすい。山と谷が打ち消し合ってウェーブマシンがほぼ一直線状になる瞬間(上から3 番目)に映像をpause すると効果的である。図の細い線は、私が書き加えたものである。
    図6 波の独立性と重ね合わせ
  • 目的と映像(4):定常波

    • (図7、普通速)ウェーブマシンで10個程度の波列を作り、この入射波と反射波が重なっている部分で節と腹が生じるシーンを定常波の説明で利用したところ、生徒はうなずいていた。
    図7 定常波の普通速映像
    • 図7 上と下(定常波、腹の変位は最大ではない)の写真では変位0(節)の媒質は速さが0 であり、速さの分布が図5 と正反対になっている。
    • 実はウェーブマシン用の造波器で定常波を作ってみたのだが、短時間の内に共振振動数を正確に一致させるのが困難で「うなり」(定常波が生まれる・消えるが数秒間隔で繰り返される)が生じてしまうため、授業での生演示としては使えなかった。しかし、定常波が生まれている間にスローシャッター(0.6 秒)でstill 写真を撮影したところ図8 のようになった。定常波振動(節と腹が生じている)の様子および、自由端が腹、固定端が節になることも一目瞭然である。
    図8 ウェーブマシンの定常波

目的と映像(2):正弦波を伝えている媒質の速度(速さと方向)を示す

  • 単振動の知識確認用に、振動数400Hz の音さの周期を尋ねる問題があった。 解答に取りかかる前に、振動している音さが水しぶきを飛ばす様子を演示したが、現象は0.5 秒しか続かず生徒の反応は鈍かった。

    次のクラスではスローモーション映像(図9、300fps)も見せたところ「オー!!」の声が上がり、問題に取り組み始めた。

    なお共鳴箱は外して音さだけにする。(箱付きでは先端の振動が弱く水しぶきがうまく上がらなかった。)

  • 図9 音さによる水しぶき

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