JP2018120194A

JP2018120194A - ツイン振り子実験器

Info

Publication number: JP2018120194A
Application number: JP2017022592A
Authority: JP
Inventors: 学菅谷; Manabu Sugaya
Original assignee: Medicaltech Co Ltd
Current assignee: Medicaltech Co Ltd
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: JP6160019B1

Abstract

【課題】従来の振り子実験器では、振り子運動の実験中に振り子の軌道が乱れる問題があり、実験器に振り子を１個取り付けた単一の振り子でも同様であった。振り子が机にぶつかったらやりなおすと記載している教科書もあった。また、振り子の定義である振り子の長さを正しく理解させる必要も同時にあった。
【解決手段】振り子の吊りひもの断面形状を従来の円形から長方形にすることと、支点部分を２本の平行に配置された角チャンネルではさみ込むことにより、正確且つ安定した軌道で振り子運動が行える。また、吊りひもに振り子の長さ目盛を入れることにより、振り子の長さに対する正しい理解と実験時間の短縮と安定した実験データが得られる。
【選択図】図５

Description

本発明は、学校の理科実験で行う振り子の正しい理解と正確な動作を図った振り子実験器に関する。

従来の実験器には１つの振り子または２つの振り子を備えたものがあり、振り子運動させると振り子の軌道が乱れ、机に当たったり、振り子同士が衝突したりするなどして、実験を中断し、実験をやり直すなど時間の無駄が生じていた。

この改善策として、例えば特許文献１の図１〜４に記載してあるように２か所の支点から吊りひもをＶ字型に下げてその先端に振り子のおもりを下げて振り子の軌道を安定させる実験器があったが、学校教育で定義されている振り子の長さは支点から振り子のおもりの中心とされており、Ｖ字状に下げた振り子の場合の振り子の長さは実際に吊り下げた支点からおもりの中心ではなく、吊り下げたおもりの鉛直線と支点と同じ高さにある仮想の支点の長さになるため、生徒にとって理解しづらい面があった。

振り子の長さを同一条件に調整する際に、ものさしや巻尺等のスケールを用いて測定しながら調整していたが振り子のおもりの形状は球体または、フックの付いたものなど複雑であり、おもりの中心が明確でないため、正確に振り子の長さを統一することが困難であった。そのために、振り子のおもりを除いた吊りひもの長さやおもりの最下部を基準に長さを合わせて実験するなど、振り子の長さの定義と異なる方法で実験していることもあった。

この改善策として、支点位置を０基点とした専用スケールを付属させた実験器もあったが、ふりこのおもりの中心が明確に印されていないので結果的に正確な振り子の長さを測定できなかった。

振り子実験器は強度と耐久性が必要なために主な材料として金属を使用している。金属に穴加工したり、切削加工をしたりして振り子のひもを通すと加工した角で長時間同じ位置で実験を繰り返すと吊りひもが金属の角で摩耗して切断されてしまうことがある。

この改善策として、加工した角の面を取って丸く仕上げたり、支点部分だけ樹脂等の違う素材を用いて面を取っていたりしたが、振り子の吊りひもの支点部分が面を取る加工をした分大きくなって、振り子が支点部分で固定されずにぶれて作動していた。

特開平７−２１９４２４

以上に述べた従来の振り子実験器は正確な軌道を通る振り子の周期運動を一定時間続けることが困難であった。

また、振り子の長さの定義を正しく理解させにくく、実験において振り子の長さを決める際に時間がかかる点である。

従来の１つの振り子実験器では振り子の重さの違いによる比較実験において、おもりを追加したり交換したりして振り子の周期の時間測定を行い、結果をそれぞれ出していた。

ボビンから導出した吊りひもが、２本の平行に配置された角チャンネルの一方にガイド板を貼り付けて両端を止めネジで固定した際、２枚のガイド板の間に生じる隙間を通り、垂直方向に垂下され、吊りひもはその断面形状が長方形であり、且つ２本の角チャンネルではさみ込まれている構造を設けたものである。

そして、振り子の吊りひもに振り子の長さを示す目盛を設けた。

さらに、これらの機能をもつ振り子を２つ有した構造である。

本発明の振り子実験器は角チャンネルを２本組み合わせた支点と断面形状が長方形の吊りひもを使用することにより、１本のひもで正確な軌道を通る振り子運動が可能となり、正しい測定値と振り子の学習が実現できる。

そして、角チャンネルを２本組み合わせてはさみ込んだ支点は吊りひもの切断を防ぎ、傷めることなく確実に保持するので支点部分でぶれることなく振り子運動し、且つ耐久性に優れる利点がある。

また、吊りひもに振り子の長さを示す目盛が施されている。振り子のひもを巻き取るボビンは任意の位置で止まる構造なので吊りひもの長さを調整しながら迅速に振り子の長さを決めて実験できるという利点がある。

さらに、２つの振り子を有することにより、振り子の重さの違いによる比較実験が同時に行えるために生徒にとって振り子の性質に関する学習効果が得やすくなるという利点がある。

図１は本発明のツイン振り子実験器の等角投影図である。図２は本発明のツイン振り子実験器の内部構造を部分拡大した等角投影図である。図３は本発明のツイン振り子実験器の正面図である。図４は本発明のツイン振り子実験器の平面図である。図５は本発明のツイン振り子実験器の右側面図である。図６は本発明のツイン振り子実験器の図５における角チャンネルのＡ−Ａ線断面図である。図７は本発明のツイン振り子実験器の図５における吊りひものＢ−Ｂ線断面図である。図８は本発明のツイン振り子実験器の吊りひもの振り子の長さ目盛を示した拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図１のとおり、本発明のツイン振り子実験器は２本の平行に配置された角チャンネル７の上部に振り子のひもを巻き取って長さを調整するボビン１とボビンを固定するボビン取り付け金具２からなる振り子を取り付けてある。

また、角チャンネル７の２本の平行に配置された一端にスタンド固定用支持棒８が取り付けてある。これは理科実験において使用される汎用品の鉄製スタンドに固定できる規定寸法の金属製の丸棒である。鉄製スタンドに取り付けてあるクランプに差し込み、ノブボルト等で固定する。

２本の平行に配置された角チャンネル７の上部には鉄製スタンドにツイン振り子実験器を固定する際に水平を保つよう確認するための丸型気泡管９が取り付けてある。気泡が管の中心に位置することにより、ツイン振り子実験器が水平に固定できる機構になっている。

角チャンネル７の２本組み合わせた下部に分度目盛板３が取り付けてある。これは振り子の振れ幅を角度表示したもので、振り子を大きく振ったり小さく振ったりした場合、定量的に表示することにより常に一定の振れ幅を再現できる。透明なアクリル樹脂に分度目盛を印刷しているので、分度目盛板の奥に位置する振り子を透視することができる。

図２は２本の平行に配置された角チャンネル７を分解して内側の構造を表す等角投影図である。図１のボビン１から導出した吊りひも４は図２の角チャンネル７の一方に貼り付けた２枚のガイド板１０の間を通る。そしてもう一方の角チャンネル７ではさみ込む機構になっている。他方の振り子も同様の機構になっている。

図３のとおり、振り子の吊りひも４が垂直に垂下された先端にはおもり取り付けネジ５が取り付けられており、おもり６を交換することができる。

おもり６の主材料として真鍮、アルミニウム、樹脂を用い、それぞれ同じ寸法に仕上げてある。したがって個々の比重の違いにより同じ寸法で質量が異なるおもりとなっており、振り子のおもりの質量の違いによる比較実験を行う事ができる。

図４のとおり、角チャンネル７の中心位置に丸型気泡管９と分度目盛板３が配置され、これらから左右等間隔にボビン１を取り付けたボビン取り付け金具が２つ配置されており、振り子の比較実験が同時に行えるようになっている。

図５のとおり、２つのボビン１から導出した吊りひも４が角チャンネル７の一方に貼り付けたそれぞれ２枚ずつのガイド板１０の間を通り、他方の角チャンネル７ではさみ込み、両端の止めネジ１２で固定されている。

図６のとおり、２本の平行に配置された角チャンネル７ではさみ込まれた隙間を通る吊りひも４は図７のとおり断面形状は長方形であり、吊りひも４が角チャンネル７の下部から導出されると同時に２本の平行に配置された角チャンネル７で押さえ込まれているので振り子の吊りひも４がぶれることなく角チャンネル７の長手方向に対し、垂直方向に且つ正確な軌道で振り子運動を続けることが可能になる。

さらに、角チャンネル７の吊りひも４と接触している角の部分は切削加工した後のように鋭利でないために吊りひも４の切断を防ぎ、傷めることがない。

また、図８のとおり吊りひも４にはおもり６の中心から等間隔に振り子の長さ目盛が施されている。目盛は５ｍｍ単位で記し、５ｃｍごとに５、１０、１５、２０のように１５０まで記してある。

振り子の長さは図５のボビン１を回して調整する。ボビン１は任意の位置で止まる機構になっているので振り子の長さは自由に調整が可能である。振り子の長さは、角チャンネル７の下部の支点に相当する位置で振り子の長さ目盛１１を読み取る。

１ボビン
２ボビン取り付け金具
３分度目盛板
４吊りひも
５おもり取り付けネジ
６おもり
７角チャンネル
８スタンド固定用支持棒
９丸型気泡管
１０ガイド板
１１振り子の長さ目盛
１２止めネジ

Claims

ボビンから導出した吊りひもが、２本の平行に配置された角チャンネルの一方にガイド板を貼りつけて両端を止めネジで固定した際、２枚のガイド板の間に生じる隙間を通り、垂直方向に垂下される振り子実験器であって、吊りひもはその断面形状が長方形であり、且つ２本の角チャンネルではさみ込まれていることを特徴とする振り子を有する振り子実験器。
振り子の吊りひもに振り子の長さを示す目盛を入れてなる請求項１に記載の振り子実験器。
振り子を２つ有している請求項１または２に記載の振り子実験器。