レゴ® サイエンス&テクノロジー モーター付基本セット

フリーホイーリング

質量、摩擦、位置エネルギー、運動エネルギーといった科学的コンセプトについて学びます。

45~90分
基礎
小学校高学年・中高
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1. 結びつける

5-10分

ジャックとジルはお手製の車で遊ぶのが大好きです。2 人は近くの公園にある下り坂を、様々な工夫をした 車で下り、どの車が一番遠くまで行けるか実験してみることにしました。

ジルは車に重りを乗せれば、車が重くなるので、遠くまで行けるようになると言っています。一方ジャックは、重くなれば動くのが難しくなるから、大きな車輪を使ったほうが遠くまで行けると思っています。ジャッ クとジルの意見は分かれてしまっています。

どちらの車の方が遠くまで行けるでしょうか?重い車でしょうかそれとも軽い車でしょうか、大きな車輪でしょうかそれとも小さな車輪でしょうか?さあ、考えてみましょう!

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2. 組み立てる

20-25分

ローンチング・ヒル(滑走斜面)を作る
板の下の端から1メートルの場所に、スタートライ ンを引きます。板の下に支えを置いて、スタートラ インの高さが床から15 センチとなるようにします。

なぜ、スタートラインが必要なのでしょうか?
すべての実験が公平に行われるようにするため に、スタートラインは必要です。すべての車は正確 に同じ傾斜を走り降りることになります。

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ヒント:
板の厚みがあることで、車 が床へ飛び落ちてしまう場 合には、厚紙を使って木の 板から床までスムーズに降 りられるようにしましょう。

フリーホイーラーを組み立てる
3A の組み立て説明書と3B の組み立て説明書(手 順1-12)を参考にしてください。

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フリーホイーラーを斜面上で実験します。モデル は、スムーズに走れますか?もしも、スムーズに走 らなければ、すべての車軸と軸受けをチェックし て、車輪がスムーズに回転できるように調整して ください。また、すべての部品がきちんと接続さ れているかどうか確認してください。

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円形スケールをトレースする
プラスチックの円盤に印を付けるか、円盤の形を紙 にトレースして複製を作りましょう。目盛りの数字を 書いて青いプラスチックの円盤に貼り付けましょう

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3. よく考える

20-25 分

工夫をする前の車がどの位遠くまで走ることがで きるか、測定してみましょう。1メートルの物差しで 距離を測り、針付きのスケールで測定した結果と比 較してみましょう。距離を記録して、止まった場所に レゴブロックを印として置きましょう。少なくとも3 回実験して、科学的に正しい結果が得られるように しましょう。

工夫をする前の車は、160 センチほど滑り落ちるで しょう。これはスケール1回転以上です。スケールの 誤差は、2~3 センチ以内です。

消去可能な白板用のマーカーで、プラスチックのス ケールに、1メートルの物差しの目盛りをトレース します。もう一度フリーホイーラーに斜面を滑ら せ、スケールと針(円形スケールが1.5 回転以上)を 観察しながら、160 センチ程走るか試してみましょう。何回か実験してみましょう。
物差しや巻尺を使う必要はありません。円形スケー ルの目盛りを読むだけで測定できます。

ヒント:
車が板の上を移動する距離 を確認しましょう。1 回目は、 車が床にあたった瞬間に、 スケールの針はゼロを通り 越します。スケールが1 回 転すると、距離はほぼ正確 に1メートルとなります。

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車に重りのブロックを載せてみましょう(組み立て 説明書3B、7 ページ、手順13 参照)。今度は、どの程 度遠くまで滑り落ちていくかを予測し、その場所にブ ロックを置きましょう。その後で実験を開始します。

車は約2 倍長く走ります。車と一緒に斜面を「滑り 落ちていく」重りのブロックによって、約2 倍の運動 エネルギーが加わります。ですが、重さが加わるこ とで車軸の摩擦やこすれが増大し、スピードが落ち ます。

針について、何か気がつきましたか?
針は1 回転以上します。針が何回転するか、確認し てください。

同じような結果が得られるか確認するために、何度 か実験を繰り返してみましょう。

先生のための豆知識
工夫をする前の車の重さは 約58g。重りブロックは約 53gです。

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ジャックの大きな車輪
大きな車輪を使うと、小さな車輪の場合よりも遠く まで走ることができるでしょうか?大きな車輪を後 ろ車軸に取り付け、斜面を滑らせてみましょう(組 み立て説明書3B、7 ページ、手順14 参照)。

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最初は重りを載せずに実験し、次に重りを載せて (組み立て説明書3B、8 ページ、手順15 参照)実験 してみましょう。

車は通常、遠くまで走ります。これには2 つ理由が あります。重さが増えることでエネルギーが増え、 後ろ車軸の回転スピードが落ちるために摩擦が減 るからです。

先生のための豆知識
大きな車輪の重さはそれぞ れ約16グラムありますが、 小さな車輪はそれぞれ約6 グラムです。

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4. 続ける

25-30 分

スーパー・スケール
組み立て説明書3B の9-12 ページ、手順1-12(赤い 数字表記)に従って、組み立ててください。
8 歯の歯車を24 歯の歯車と交換してみましょう。針 が1 回転する前に車がどの程度遠くまで走るか、予 測して実験してみましょう。

3メートル走ります。新しい歯車には、小さな歯車 の3 倍の歯がついています。ウォームギヤは、24 歯 の歯車が1 回転する間に3 倍回転しなければなり ません。距離を正確に測ることができるように、ス ケールに3メートルの目盛りを付けます。

スーパー・スロープ
斜面の高さを2 倍にしたらどうなるかを予測し、そ の後で実際に実験してみましょう。

位置のエネルギーと運動のエネルギーが2 倍にな りますが、車軸の摩擦は2 倍になりません。

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教師用サポート

以下のコンセプトについて学びます:

科学技術と設計、構造、美術
• メカニズムを利用する–車輪と車軸
• 部品の組み立て

科学(理科)
• 距離を測定する
• スケールの目盛りを読んだり、目盛り付けをする
• 力
• 運動エネルギー
• 位置のエネルギー
• 摩擦と空気抵抗
• 科学調査

9686 レゴ® サイエンス&テクノロジー モーター付基本セット (生徒1人につき1セットをおすすめします)
4メートルの平らな床
ガムテープ
1メートルの物差しまたは巻尺
長さが1メートル以上の板(たわまない程度の厚みがあるもの)
板の高さを高くするための、本の山または箱
測定に使うための、予備のレゴブロック
白板用マーカー
ハサミ

科学技術と設計、構造、美術:
必要性を見極め、アイデアを出していく。個人またはチームで作業を進める。材 料や部品、およびモジュール式組み立 てキットを使って、高品質な実用試作 品をデザインして作る。 適切なテスト 方法を使用して、改良の成果を調べる。さまざまな身近な製品を組み立て/分 解し、特定した目的を満たすことがで
きるかテストする。

• ホイールサイズや重りを変えることで、乗り物 の効率性がどう変化す るかを調査する。
• 負荷を動かすための、車輪や車軸。
• できるだけ遠くまで進 むことのできる車をデ ザインして作る。

科学(理科):
基本的な機械要素の性能に関する可 変要素の効果を予測、評価するなど の科学的調査。慎重な観察、測定、お よび記録。

• 斜面。
• 摩擦。

解析・分析(数学):
解析・分析など、数学的な考え方を活 用、応用する。あらゆる演算方法を使 用した計算。領域、平均、および比率の 概念を使用して計算する。時間、距離、 および力(重量)を、できるだけ正確に 測定する。言葉による反応式を使用す る。一次方程式を使って速度を計算す る。結果からパターンを特定する。デー タを収集して表に表わす。スピーチや 文章、図表を使って、数学的な考え方 を伝える。

• スケールの目盛りを読 んだり、目盛り付けを する。
• 距離や質量の測定。
• 負の数を使う(丘の下 で、車を後方にゼロ方 向に走らせる)。
• 精度の限界に関する 調査。
• 平均値の計算。

生徒用資料

生徒用ワークシート

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