斜面を滑り落ちる物体の運動を考える~図と文章を重視した理科指導~

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みみずく先生のプロ家庭教師&ライター奮闘記

次の質問に答えてくださいね。

同じ質量の物体が斜面を滑り落ちます。緩やかな斜面と急な斜面、物体が速く滑り落ちるのはどちらですか?ただし、斜面の摩擦は考えないものとします。

もちろん急な斜面の方が物体は速く滑り落ちますよね?

ここで考えてほしいのは、「斜面が急だとどうして物体は速く滑り落ちるの?」という素朴な疑問です。「斜面が急だから」と多くの生徒たちは答えます。が、それでは理由になっていません(笑)。

日常的に「当たり前」と思っている現象をどう説明すればいいのでしょうか?

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現象を視覚的に把握させる指導

斜面を滑り落ちる物体の運動を教える際、僕は図を描きます。理科では、現象を視覚的イメージとして把握することが大切だからです。

重力を分解して分力を図示する

まずは、以下のような図1と図2を描きます。

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図1が緩やかな斜面、図2が急な斜面です。

物体から下方向に伸びている赤い矢印は、物体に働く重力を表しています。「物体の質量が同じ」という前提なので矢印の長さは等しくなります。

次に重力を分解します。

力を分解する場合、元の力を対角線とする平行四辺形を描きます。その平行四辺形の2辺が分解された力(分力)です。これを以下のように描き足します。

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斜面水平(平行)方向と斜面垂直(鉛直)方向に重力を分解しました。

なぜこのように分解したのかというと、物体が斜面水平方向に運動している(滑り落ちる)からです。運動方向と水平な分力を考えることがポイントです。

物体の滑り落ちる速さが異なる理由

分力を描き終えたら、図1と図2を見比べます。

斜面水平方向の分力、つまり水色の矢印の長さが違いますよね?

同じ大きさの重力を分解したにもかかわらず、水色の矢印は図2の方が長いのです。この長さの違いこそが、物体の滑り落ちる速さが異なる理由です。

というわけで、僕が図を描いて説明すれば、生徒たちも何となく分かった気になります。その「何となく」を、次はテストの得点に結び付けなければなりません。そのためには、どうすればいいのでしょうか?

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