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「振り子」 と いえば、 公園 の ブランコ や、 おじいちゃん の 家に ある 「振り子時計」 を 思い 出す 人 が いる かも しれません。
第 6 章 では、 この 振り子 が どう いう 条件 で ゆっくり 振れる か・速く 振れる か を、 5 年生 の 学年目標 「条件制御 して 計画的 に しらべる」 で 確かめます。
ポイント: この 章 は 5 年生 の 「条件制御」 学習 の 代表例 です。 「変える 条件 1 つ だけ、 ほか は そろえる」 を 何回も くり返し ます。 第 2 章 (発芽) で 学んだ やり方 を、 今度 は 「時間 と 数字」 で 行い ます。
振り子 (ふりこ) と は、 支点 (してん、 ひも を つるす ところ) から ひも を たらし、 その 先 に おもり を つけた もの です。
| 部分 | 名前 | はたらき |
|---|---|---|
| 上 | [[支点 | してん]] |
| ひも | ひも (糸) | おもり を 支点 から つるす |
| 下 | おもり | ひも の 先 に つける 重い もの |
おもり を 横 に 引いて 手 を はなす と、 おもり は 左 → 右 → 左 と くり返し 動き ます。 これ が 「振動 (しんどう)」 です。
「往復」 (おうふく) は、 おもり が 1 つ の 場しょ から 出発 して、 反対 まで 行き、 また 元 の 場しょ に もどって 来る まで で 1 往復 です。
| 動き | 数え方 |
|---|---|
| 左 → 右 | 半[[往復 |
| 左 → 右 → 左 | 1 [[往復 |
| 左 → 右 → 左 → 右 → 左 | 2 [[往復 |
ポイント: 「片道」 では なく 「往復」 で 数える。 1 往復 に かかる 時間 を 周期 (しゅうき) と いい ます。 この 章 で 一番大事 な 言葉 です。
振り子 の 1 往復 は とても 短い 時間 です。 たとえば ひも 50 cm の 振り子 だと 約 1.4 秒。 これ を ストップウォッチ で 1 往復 だけ 計る と どう なる でしょう か。
| 1 回目 | 2 回目 | 3 回目 | 4 回目 | 5 回目 |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 秒 | 1.3 秒 | 1.4 秒 | 1.6 秒 | 1.2 秒 |
ばらばら です。 これ は 誤差 (ごさ) と 言って、 ストップウォッチ を 押す タイミング の ズレ で 起きます。 人間 の 反応 は 0.2 秒 くらい かかる ので、 1 往復 だけ 計る と 半分 くらい 誤差 に なって しまい ます。
そこで、 つぎ の くふう を します。
| ステップ | やる こと |
|---|---|
| ① | おもり を 横 に 引いて 手 を はなす |
| ② | 「1 (出発)」 で ストップウォッチ を スタート |
| ③ | 戻って 来た ら 「2」、 また 戻って 来た ら 「3」… と 数える |
| ④ | 「11」 で ストップウォッチ を ストップ (= **10 [[往復 |
| ⑤ | その 時間 を 10 で 割る = 1 [[往復 |
大事: 誤差 は ストップウォッチ の 押す タイミング 1 回 の ズレ。 だから 10 往復 まとめて 計る と、 ズレ も 10 で 割られて 10 分 の 1 に なる。 これ が 平均 の 力 です。 算数 5 年 で 学ぶ 「平均」 と 同じ 考え方 です。
10 往復 で 1 つ の データ を 取った あと、 これ を 3 回 くり返し て、 3 つ の データ の 平均 を 取り ます。
| 回 | 10 往復 の 時間 | 1 往復 (周期) |
|---|---|---|
| 1 回目 | 14.2 秒 | 1.42 秒 |
| 2 回目 | 14.1 秒 | 1.41 秒 |
| 3 回目 | 14.3 秒 | 1.43 秒 |
| **[[平均 | へいきん]]** | 14.2 秒 |
これ で やっと 「ひも 50 cm の 振り子 の 周期 は 約 1.42 秒」 と 言える の です。
「重い おもり の ほう が 速く 振れる かな?」 と いう 予想 を 立てる 人 が 多い です。 では 実験 で 確かめ ましょう。
| おもり | 10 往復 の 時間平均 | 周期 | |---|---|---| | 10 g | 14.2 秒 | 1.42 秒 | | 20 g | 14.2 秒 | 1.42 秒 | | 30 g | 14.3 秒 | 1.43 秒 | | 40 g | 14.1 秒 | 1.41 秒 |
考察: おもり を 4 倍 (10 g → 40 g) に しても、 周期 は ほとんど 変わらない (1.41 〜 1.43 秒)。 1〜2/100 秒 の ちがい は 誤差 で せつめい できる。 つまり おもり の 重さ で 周期 は 変わらない。
ポイント: 予想 が 外れる こと も 大事 な 学び です。 「重い ほう が 速い はず」 と 思って いた のに 同じ だった、 と 分かる の が 実験 の 力 です。
つぎ は 「振れ幅 (ふれはば、 おもり を 横 に どれだけ 引いた か)」 を 変えて みます。
| 振れ幅 | 10 往復 の 時間平均 | 周期 | |---|---|---| | 5° | 14.2 秒 | 1.42 秒 | | 10° | 14.2 秒 | 1.42 秒 | | 20° | 14.3 秒 | 1.43 秒 | | 30° | 14.3 秒 | 1.43 秒 |
考察: 振れ幅 を 5° から 30° まで 変えても、 周期 は ほとんど 同じ (1.42 〜 1.43 秒)。 つまり 振れ幅 で 周期 は 変わらない。
大事: 振れ幅 が 大きい と、 おもり が 動く 道のり は 長く なり ます。 でも 同時に 動く 速さ も 速く なる ので、 1 往復 の 時間 は 同じ に なる の です。 ふしぎ です ね。 (※ 30° を 大きく 越える と 少し 周期 が 長く なる が、 小学校 で は 「同じ」 で よい)
最後 に 「ひも の 長さ」 を 変えて みます。 これ が 一番大事 な 実験 です。
| ひも の 長さ | 10 往復 の 時間平均 | 周期 | |---|---|---| | 25 cm | 10.0 秒 | 1.00 秒 | | 50 cm | 14.2 秒 | 1.42 秒 | | 100 cm | 20.0 秒 | 2.00 秒 | | 200 cm | 28.4 秒 | 2.84 秒 |
考察: ひも の 長さ を 長く する と、 周期 は はっきり 長く なる (1.00 → 2.84 秒、 約 3 倍)。 つまり 周期 を 決める の は ひも の 長さ だけ。
| ひも の 長さ | 周期 |
|---|---|
| 短い (25 cm) | 短い (速く 振れる) |
| 長い (200 cm) | 長い (ゆっくり 振れる) |
ポイント: 「周期 は ひも の 長さ だけ で 決まる。 おもり の 重さ・振れ幅 で は 変わらない**」 — これ が 振り子 の はたらき の 一番大事 な きまり です。 ガリレオ と いう ピサ の 人 が 約 400 年前 に 教会 の シャンデリア を 見て 発見 した と 言わ れて い ます。
| 変えた もの | 周期 は どう なる? |
|---|---|
| おもり の 重さ | 変わら ない |
| 振れ幅 | 変わら ない |
| ひも の 長さ | 変わる (長い = ゆっくり) |
「振り子 の 周期 は ひも の 長さ だけ で 決まる」 = 同じ 長さ なら いつも 同じ リズム を きざむ。 この 性質 を 利用 した 道具 が 身近 に あり ます。
おじいちゃん や おばあちゃん の 家 に ある 振り子時計 (ふりこどけい) は、 振り子 の 動き で 「カチ・カチ」 と 1 秒 ずつ きざみ ます。
ピアノ や バイオリン の 練習 で つかう メトロノーム も、 振り子 の しくみ で リズム を きざみ ます。
大事: 振り子 の 性質 が 「正確 な リズム」 を 作る から、 時計 や 楽器 に つかわ れて 来 ました。 今 は ぜんまい や 電池 や 水晶 を つかった 時計 が 多い けれど、 もと は 振り子 が 時 を きざむ 始まり でした。
公園 の ブランコ も 大きな 振り子 です。
公園 で ブランコ に 乗った ら、 「自分 で 時間 を 計って みる」 と 振り子 の きまり が 確かめ られ ます。
この 章 で 学んだ こと を ふりかえり ましょう。
次の 章: 第 7 章 で は 「電流 が つくる 磁力」 を 学び ます。 4 年生 で 学んだ 「電気 の はたらき」 が 電磁石 と いう ものづくり へ 進化 します。 鉄しん に コイル を 巻いて 電気 を 流す と 磁石 に なる ふしぎ、 電流 の 大きさ や コイル の 巻き数 で 磁力 が どう 変わる か、 自分 の 手 で たしかめ ましょう。