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教材きょうざい一覧いちらんもど
理科りか 5年生ねんせい

振り子ふりこ運動うんどう

最終さいしゅう確認かくにん:

この しょうまなぶこと

振り子ふりこ」 と いえば、 こうえん の ブランコ や、 おじいちゃん の いえに ある 「振り子時計ふりことけい」 を おもひと が いる かも しれません。

だい 6 しょう では、 この 振り子ふりこどう いう 条件じょうけん で ゆっくり れる か・はやれる か を、 5 年生ねんせい学年がくねん目標もくひょう条件制御じょうけんせいぎょ して 計画けいかくてき に しらべる」 で たしかめます。

  • 振り子ふりこ の しくみ (支点してん・ひも・おもり) と 周期しゅうき
  • 10 往復おうふく時間じかんはかって 10 で われる = 平均へいきん誤差ごさらす やりかたに つける
  • おもえても 周期しゅうきおなじ こと を じっけんたしかめる
  • はばえても 周期しゅうきおなじ こと を じっけんたしかめる
  • ひも の ながえる と 周期しゅうきわる (ながい ほど おそい) こと を じっけんたしかめる
  • メトロノーム・振り子ふりこ時計とけい など 身近みぢかれい

ポイント: この しょう は 5 年生ねんせい の 「条件制御じょうけんせいぎょ学習がくしゅう代表だいひょうれい です。 「える 条件じょうけん 1 つ だけ、 ほか は そろえる」 を なんかいも くりかえし ます。 だい 2 しょう (発芽はつが) で まなんだ やりかた を、 今度こんど は 「時間じかん数字すうじ」 で おこない ます。

1. 振り子ふりこの しくみ

振り子ふりこ と は、 支点してん (してん、 ひも を つるす ところ) から ひも を たらし、 その さきおもり を つけた もの です。

ガリレオ振り子時計の設計図
振り子ふりこ時計とけい設計せっけい (1659 ねん、 ガリレオ の 弟子でし Viviani )。 振り子ふりこ周期しゅうき が ひも の ながさ で まる ことを 利用りよう した 時計とけい
部分ぶぶんまえはたらき
うえ支点してんひも を つるす うごかない てん
ひもひも (いと)おもり を 支点してん から つるす
したおもりひも の さき に つける おもい もの

おもり を よこいて を はなす と、 おもり は ひだりみぎひだり と くりかえうごき ます。 これ が 「振動しんどう」 です。

往復おうふくかぞかた

往復おうふく」 (おうふく) は、 おもり が 1 つ の しょ から 出発しゅっぱつ して、 反対はんたい まで き、 また もとしょ に もどって る まで で 1 往復おうふく です。

うごかぞかた
ひだりみぎ往復おうふく (1/2)
ひだりみぎひだり1 往復おうふく
ひだりみぎひだりみぎひだり2 往復おうふく

ポイント:かたみち」 では なく 「往復おうふく」 で かぞえる。 1 往復おうふく に かかる 時間じかん周期しゅうき と いい ます。 この しょう一番いちばん大事だいじこと です。

2. 周期しゅうきはかかた (平均へいきん誤差ごさらす)

振り子ふりこ の 1 往復おうふく は とても みじか時間じかん です。 たとえば ひも 50 cm の 振り子ふりこ だと やく 1.4 びょう。 これ を ストップウォッチ で 1 往復おうふく だけ はか と どう なる でしょう か。

1 かい2 かい3 かい4 かい5 かい
1.5 びょう1.3 びょう1.4 びょう1.6 びょう1.2 びょう

ばらばら です。 これ は 誤差ごさって、 ストップウォッチ を す タイミング の ズレ で きます。 にんげんはんのう は 0.2 びょう くらい かかる ので、 1 往復おうふく だけ はかる と 半分はんぶん くらい 誤差ごさ に なって しまい ます。

解決かいけつ方法ほうほう: 10 往復おうふくはかって 10 で われる = 平均へいきん

そこで、 つぎ の くふう を します。

ステップやる こと
おもり を よこいて を はなす
1 (出発しゅっぱつ)」 で ストップウォッチ を スタート
もどって た ら 「2」、 また もどって た ら 「3」… と かぞえる
11」 で ストップウォッチ を ストップ (= 10 往復おうふく時間じかん)
その 時間じかん10 で われ = 1 往復おうふく周期しゅうき

大事だいじ: 誤差ごさ は ストップウォッチ の す タイミング 1 かい の ズレ。 だから 10 往復おうふく まとめて はかる と、 ズレ も 10 で られて 10 ぶん の 1 に なる。 これ が 平均へいきんちから です。 算数さんすう 5 ねんまなぶ 「平均へいきん」 と おなかんがかた です。

さらに 確実かくじつ に: 3 かい やって 平均へいきん

10 往復おうふく で 1 つ の データ を った あと、 これ を 3 かい くりかえ て、 3 つ の データ の 平均へいきんり ます。

かい10 往復おうふく時間じかん1 往復おうふく (周期しゅうき)
1 かい14.2 びょう1.42 びょう
2 かい14.1 びょう1.41 びょう
3 かい14.3 びょう1.43 びょう
平均へいきん14.2 びょう1.42 びょう

これ で やっと 「ひも 50 cm の 振り子ふりこ周期しゅうきやく 1.42 びょうえる の です。

3. おもさ を えても 周期しゅうきおな

おもい おもり の ほう が はやれる かな?」 と いう 予想よそうてる ひとおおい です。 では じっけんたしかめ ましょう。

じょうけん

  • える : おもり の おもさ (10 g、 20 g、 30 g、 40 g)
  • そろえる : ひも の ながさ (50 cm)、 はば (10°)、 おな振り子ふりこ を つかう
  • はか : 10 往復おうふく時間じかん を 3 かい平均へいきん周期しゅうき

けっ (れい)

おもり10 往復おうふく時間じかん平均へいきん周期しゅうき
10 g14.2 びょう1.42 びょう
20 g14.2 びょう1.42 びょう
30 g14.3 びょう1.43 びょう
40 g14.1 びょう1.41 びょう

考察こうさつ: おもり を 4 ばい (10 g → 40 g) に しても、 周期しゅうき は ほとんど わらない (1.41 〜 1.43 びょう)。 1〜2/100 びょう の ちがい は 誤差ごさ で せつめい できる。 つまり おもり の おもさ で 周期しゅうきわらない

ポイント: 予想よそうはずれる こと も 大事だいじまなび です。 「おもい ほう が はやい はず」 と おもって いた のに おなじ だった、 と かる の が じっけんちから です。

4. はばえても 周期しゅうきおな

つぎ は 「はば (ふれはば、 おもり を よこ に どれだけ いた か)」 を えて みます。

じょうけん

  • える : はば (5°、 10°、 20°、 30°)
  • そろえる : ひも の ながさ (50 cm)、 おもり の おもさ (20 g)、 おな振り子ふりこ を つかう
  • はか : 10 往復おうふく時間じかん を 3 かい平均へいきん周期しゅうき

けっ (れい)

はば10 往復おうふく時間じかん平均へいきん周期しゅうき
14.2 びょう1.42 びょう
10°14.2 びょう1.42 びょう
20°14.3 びょう1.43 びょう
30°14.3 びょう1.43 びょう

考察こうさつ: はば を 5° から 30° まで えても、 周期しゅうき は ほとんど おなじ (1.42 〜 1.43 びょう)。 つまり はば周期しゅうきわらない

大事だいじ: はばおおきい と、 おもり が うご道のりみちのりながく なり ます。 でも 同時どうじうごはやさ も はやく なる ので、 1 往復おうふく時間じかんおなじ に なる の です。 ふしぎ です ね。 (※ 30° を おおきく える と すこ周期しゅうきながく なる が、 小学校しょうがっこう で は 「おなじ」 で よい)

5. ひも の ながさ を える と 周期しゅうきわる

さい に 「ひも の なが」 を えて みます。 これ が 一番いちばん大事だいじじっけん です。

じょうけん

  • える : ひも の ながさ (25 cm、 50 cm、 100 cm、 200 cm)
  • そろえる : おもり の おもさ (20 g)、 はば (10°)、 おなじ おもり と 支点してん
  • はか : 10 往復おうふく時間じかん を 3 かい平均へいきん周期しゅうき

けっ (れい)

ひも の なが10 往復おうふく時間じかん平均へいきん周期しゅうき
25 cm10.0 びょう1.00 びょう
50 cm14.2 びょう1.42 びょう
100 cm20.0 びょう2.00 びょう
200 cm28.4 びょう2.84 びょう

考察こうさつ: ひも の ながさ を ながく する と、 周期しゅうきはっきり ながく なる (1.00 → 2.84 びょうやく 3 ばい)。 つまり 周期しゅうきめる の は ひも の ながさ だけ

ひも の なが周期しゅうき
みじかい (25 cm)みじかい (はやれる)
ながい (200 cm)ながい (ゆっくり れる)

ポイント:周期しゅうき は ひも の ながさ だけ で まる。 おもり の おもさ・はば で は わらない」 — これ が 振り子ふりこ の はたらき の **一番いちばん大事だいじ な きまり です。 ガリレオ と いう ピサ の ひとやく 400 ねんまえ教会きょうかい の シャンデリア を 発見はっけん した と わ れて い ます。

くらべて まとめ

えた もの周期しゅうき は どう なる?
おもり の おもわら ない
はばわら ない
ひも の ながわる (ながい = ゆっくり)

6. 身近みぢか振り子ふりこ と その くふう

振り子ふりこ周期しゅうき は ひも の ながさ だけ で まる」 = おなながさ なら いつも おなじ リズム を きざむ。 この せいしつよう した 道具どうぐ身近みぢか に あり ます。

振り子時計ふりことけい

おじいちゃん や おばあちゃん の いえ に ある 振り子時計ふりことけい (ふりこどけい) は、 振り子ふりこうごき で 「カチ・カチ」 と 1 びょう ずつ きざみ ます。

  • 周期しゅうきやく 2 びょう (1 往復おうふく に 2 びょう) に なる ように、 ひも の ながさ を やく 1 m調ちょうせつ して ある
  • 1 往復おうふく半分はんぶん = 1 びょう で 「カチ」 と おと
  • ひも の ながさ を すこえる と、 時計とけいすすん だり おくれ たり する → 時計とけい さん が なお

メトロノームめとろのーむ

ピアノ や バイオリン の れんしゅう で つかう メトロノームめとろのーむ も、 振り子ふりこ の しくみ で リズム を きざみ ます。

  • 上下じょうげ さかさま の 振り子ふりこ で、 おもり の しょ を 上下じょうげ に ずらす と はやさ が わる
  • おもり を じょう に する と おそ (周期しゅうきながい)、 に する と はや (周期しゅうきみじかい)
  • 「♩ = 60」 = 1 ぶん (60 びょう) に 60 かい きざむ = 1 きざみ 1 びょう

大事だいじ: 振り子ふりこせいしつ が 「せいかく な リズム」 を つくる から、 時計とけいがっ に つかわ れて ました。 いま は ぜんまい や 電池でんちすいしょう を つかった 時計とけいおおい けれど、 もと は 振り子ふりことき を きざむ はじまり でした。

こうえん の ブランコ

こうえん の ブランコ も おおきな 振り子ふりこ です。

  • ブランコ の くさり (= ひも) は ふつう 3 〜 4 m
  • だから 周期しゅうきやく 4 びょう (1 往復おうふく に 4 びょう)
  • いくら こいで も (= はばおおきく しても)、 周期しゅうき は ほぼ おな
  • 大人おとな が こい でも ども が こい でも、 おなじ ブランコ なら 周期しゅうきおな

こうえん で ブランコ に った ら、 「自分じぶん時間じかんはかって みる」 と 振り子ふりこ の きまり が たしかめ られ ます。

7. ふりかえり

この しょうまなんだ こと を ふりかえり ましょう。

  • 振り子ふりこ支点してん・ひも・おもり部分ぶぶん が わかる
  • 1 往復おうふくかぞかた (ひだりみぎひだり で 1 往復おうふく) が える
  • 周期しゅうき = 1 往復おうふく に かかる 時間じかんえる
  • 10 往復おうふくはかって 10 で われる = 平均へいきん誤差ごさらす やりかたえる
  • おもり の おもさ で 周期しゅうきわらないえる
  • はば周期しゅうきわらないえる
  • ひも の ながさ で 周期しゅうきわる (ながい = ゆっくり) と える
  • 振り子時計ふりことけいメトロノームめとろのーむ・ブランコ振り子ふりこ の しくみ と える
  • [ ]条件制御じょうけんせいぎょ (える 1 つ、 そろえる ほか) が だい 2 しょう (発芽はつが) と おなじ やりかた と わかる

この しょう安全あんぜんはいりょ

  • おもり の 落下らっか注意ちゅうい — ひも が ほどけ たり れ たり する と、 おもり が んで る (がおあしまもる)
  • 支点してん を しっかり 固定こていつくえかく や つくえ うえ の フック が うごく と、 周期しゅうき が ばらつく だけ で なく けん
  • おもり の したものか ないちて れる もの (コップ・ガラス) は どけ る
  • つよぎ ないはば 30° 以上いじょう周期しゅうきわって しまう し、 おもり が けん
  • こうえん の ブランコ で り は しない落下らっかおおきな もと、 4 m の こう さ から ちる の と おな

しょう: だい 7 しょう で は 「電流でんりゅう が つくる 磁力じりょく」 を まなび ます。 4 年生ねんせいまなんだ 「電気でんき の はたらき」 が 電磁石でんじしゃく と いう ものづくり へ 進化しんか します。 てつしん に コイル を いて 電気でんきながす と 磁石じしゃく に なる ふしぎ、 電流でんりゅうおおきさ や コイル の すう磁力じりょく が どう わる か、 自分じぶん で たしかめ ましょう。

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