電磁気学編
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摩擦電気 |
(1)図の通り |
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空き缶帯電体 |
空き缶にラップフィルムをしっかり巻いてからはがすと、空き缶は+(プラス)、ラップフィルムは-(マイナス)に帯電する。これを帯電体として使う。 使用器具:空き缶 ラップフィルム (サランラップ、クレラップが良い)ストロー セロテープ |
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どんなものにも電気が起きる | こすっても電気が起きない(と思われている)金属、水、人にも注意深く実験すると電気が起きることを認め、どんなものにも電気が生じることを認識する。 (1)箔を開かせた検電器を近づけて、電荷の種類を判定すると良い。ネオンランプをこすりつけても良い。 |
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吊り下げ式静電クーロン力調べ | (1)糸のねじれにより、Aが回転し、引力・斥力を検出する。 |
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帯電シャボン玉 | シャボン玉など、液体も帯電することを示す (1)塩ビパイプを帯電させ、シャボン玉を作る。 (2)できたシャボン玉に、正・負の帯電体を近づける。引っ張られたり、反発したりする。 |
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箔検電器に電荷をためる方法とその種類の判別 | 箔検電器に電荷をためる方法(2種)。また、これを用いた電荷の判定法。 |
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電気盆とミニライデンビン | 電気盆、ライデンビンをを自作して、その仕組み、原理を理解する 製作法](補足:北村)電気盆:アルミ皿の上に、プラスチックコップをセロテープで固定する。電気盆として使うときは、コップを取っ手にする。アルミ皿を帯電させて使う。 ミニライデンビン:フィルムケースの外側に、アルミテープを巻き付ける。ケース内に水を入れ、クリップで作った電極を刺したふたをはめ込む。水を入れるのは、電気容量を大きくするため。クリップの電極に帯電体を接触させて、帯電(充電)する。 (1)発泡スチロールの上に、仕切の紙を上にして置いて、紙を引きはがす。その上に電気盆を置いて、ネオンランプを皿に触れる。 (2)電気盆の皿をライデンビンの頭に触れる。 (1)と(2)を何回か繰り返した後、ライデンビン外側のアルミ箔を持って、クリップの頭に触れると電撃が走る。 留意点等:(1)でネオンランプを使わないで指でやっても良いが痛い。(1)でランプが光る極と、(1)の後引き上げた電気盆の皿にネオンランプを触れた場合、光る極は異なる。(異種の電荷) この実験は、湿度が高い夏場でもできる。 ネオンランプで光った方が-極。 使用器具:自作電気盆 自作ライデンビン トラペンシート(紙付き)発泡スチロール板(絶縁体として使う) ネオンランプ 箔検電器) 製作材料:プラスチックコップ アルミ皿 フィルムケース クリップ 粘着性アルミ(金属)テープ |
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電気振り子、箔の空中遊泳 | 導体に、帯電体を近づけると静電誘導により電荷の分布(偏り)が生じ、距離の差によるクーロン力の大きさの違いによって引きつけられ、次に帯電体と同種の電荷を帯びることによって反発されることを観察する。 (1)家庭用アルミ箔をちぎって丸め、釣り糸等につける。帯電体を近づけると一度くっついてすぐ反発される。 (2)銅箔などの金属箔を小さくちぎった物に、帯電体を近づける。箔は帯電体にくっつくので、息で吹き飛ばす。浮いた箔の下に帯電体を持っていくと、反発してフワリと浮いたままになる。 留意点等:アルミ箔は小さめ。電気量が少ないとくっついたまま。 使用器具:アルミ箔 釣り糸、または、絹糸 金属箔(薄いもの) 帯電体(定規、エボナイトetc.) |
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電気振り子 | 電気振り子の実験を身近な材料で作り、静電誘導に関する理解を深める。 (1)アルミフォイルの小片を帯電体に近づける。近づいたかと思うと、その後反発したままになる。 (2)帯電体の反対側に手を置く。アルミフォイルの小片は、帯電体と手の間を何度も往復する。 留意点等:帯電体が十分でないと、アルミフォイルの小片は空き缶帯電体にくっついたままになる。 製作材料:空き缶帯電体 ストロー 糸 アルミフォイル小片 1cm四方 セロテープ |
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まさつ電気は何でも吸い寄せる | 摩擦電気によって、釘や水、野菜etc.何でも吸い寄せられることを確かめ、その原因を考える (1)図のように絶縁糸で釘や細く切った野菜に帯電体を近づける。寄ってくる。 (2)ビュレットで水を細く落とし、それに帯電体を近づける製作材料:定規(アクリル板、エボナイト棒etc.)布(毛皮)スタンド 釣り糸(絹糸)ビュレット 釘 ゴボウ、大根、ネギetc. 水 |
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吸い寄せられる水 | 水流を利用して、誘電分極を観察する
水流をできるだけ絞り、図のような帯電体を近づける。正電荷にも負電荷にも引き寄せられることから、誘電分極を導入する。 |
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水面の1円玉とマッチ棒 | 水の誘電分極を観察する (1)水面に、1円玉とマッチ棒を浮かべておく。 (2)帯電体を近づけると、1円玉は反発し、マッチ棒は引き寄せられる。 |
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静電気と動電気 | 静電気の電気と、電流の電気が同じものであることを示す (1)帯電したストローに沿って、ネオンランプを滑らせる。他の帯電体でも同様にできる。 留意点等:前もって、交流電流などでネオンランプを点灯させておく。 |
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静電気スタータ | 静電気が高電圧であることを示す。 (1)グロー球をはずした蛍光灯のスイッチをONにする。点灯しない。 (2)これに帯電体を近づける。点灯する。 留意点等:トランスで200V程度に昇圧しておく。(冬季は必要ないかも知れないが未確認である) 製作材料:トランス 700円 蛍光灯+安定器 1800円 その他 帯電体 |
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電気力線の観察 | サラダ油に沈めたカラーパウダーを使って静電気による電気力線を描かせる。静電気による電界の様子を観察する。 カラーパウダーの誘電分極を利用した実験である。 (1)プラスチック皿にサラダ油を1mmぐらいの深さで入れる。カラーパウダーを指で少量つまみ、油の上に一様に振りまく。 (2)皿の中央に沈めた画鋲(電極となる)の先端に、起電盆のアルミ皿をゆっくり近づける。先端放電で画鋲が帯電。これにより、電気力線が描かれていく。 (3)ピンセットで画鋲をつまみ、カラーパウダーをゆっくりとかき回して電気力線を消し、次の実験を行う。 (4)(補足:北村)アルミフォイルでいろいろな形の電極を作り、起電盆や帯電体を接触させて帯電させ、その後の電気力線を観察する。 例:+または-の点電荷1つ、++、+-、--の点電荷のペア、アルミフォイルで作った平行コンデンサー、点電荷とアルミの円によるシールド(静電遮蔽)など。 注:電極が2つあるとき 同種の電荷を帯電させたいとき:電気盆を画鋲の上に乗せてしまう 異種の電荷を帯電させたいとき:一方の電極にピンセットで触れ、アースしながら行う 留意点等:乾燥機では、電気盆による電気は、強すぎて、静電遮蔽の実験がうまく行かない。そのときは、発電棒を用いてやると良い。 プラスチック皿が帯電した場合は、底を濡れ雑巾でぬぐうと良い。 使用器具:簡易電気盆(強いときは発電棒)作り方は「7.簡易電気盆とミニライデンビン」参照:材料はビニールコップ、セロテープ、アルミ皿 プラスチック皿(てんびんの台皿等) サラダ油 カラーパウダー(プラモデル塗装用の粉、塗装店で)画鋲、電極の形に切ったアルミフォイル ピンセット(アースにも使う)ネオンランプ シャーレ、トレイ(油汚れを防ぐため)他に帯電材として、発泡スチロール板、OHPシート、ティッシュペーパーなど薄い紙(摩擦用) |
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イオンの動きで電界を見る | 電界の向きをイオンの移動する向きで、電界の強さをイオンの移動距離で、観察する (1)図のようにセットする。湿らせたロ紙の上にKMnO4の粉をまばらにまく。MnO-イオンが陽極に引かれ、電気力線に沿って赤紫色が広がっていく。 (2)130Vは簡単な直流電源を作っておくと、普通教室での演示に便利。 留意点等:KMnO4を密にまきすぎると、移動の様子が見にくくなる。 |
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導通テスト | 導体と絶縁体を調べる (1)様々な物体について導通テストを行う。 留意点等:事前に予想を立てさせてから行わせると面白い。 使用器具:ストロー、各種硬貨、シャープペンの芯、銀紙、磁石、etc. 製作材料:白熱電球 ソケット プラグ コード ワニ口クリップ |
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電気パン | ジュール熱を利用してパンを焼き、消費電力を計算する (1)ホットケーキミックスを水で溶く。 (2)図のように配線し、コンセントに差し込む。 (3)焼き上がるまでの時間と平均電流を測定。 (4)電力を計算、パンを食べる。 留意点等:紙コップだと準備は楽だが、端が焼け残る。ただ、どこに電流が流れたか、よく分かる。うまく焼くためには、牛乳パックのような、四角い物の方が良い。 使用器具:電流計 製作材料:ホットケーキミックス 紙コップ(または牛乳パック)ステンレス板 100W電球 |
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ゼネコンで発電 | 発電により、仕事がエネルギーに変わる様子を、自分の手応えで感じ取る (1)ゼネコンに乾電池をつなぎ、モーターが入っていることを示す。 (2)豆電球をつないで、回すと発電ができることを示す。 (3)何もつながないときと、ショートさせたときの手応えの違いを調べる。 (4)コンデンサーにつないで、エネルギーがためられる様子を調べる。 ゼネコン 乾電池 豆電球 ソケット コンデンサー(1F) |
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火で電流を流す | 熱でも電圧を生じ、電流が流れることを示し、熱電対の原理を理解する。
(1)図のようにセットし、バーナーに点火する。電圧が生じるのがわかる。 留意点等:生じる電圧は、あまり大きくないので、アナログテスターでの測定は難しい。 使用器具:ガスバーナー スタンド |
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コンデンサーの電気容量 | 豆電球のフィラメントの点灯時間が、ほぼコンデンサーに蓄えられた電気量に比例することを使い、充電電圧Vと電気量Q、直列接続または並列接続の合成電気容量Cの関係について検討する。 コンデンサー 充電電圧 点灯時間 (1)1(F) 1.5(V) 測定値1(s) (2)1(F) 3.0(V) 測定値2(s) (3)1(F)-1(F)直列 3.0(V) 測定値3(s) (4)1(F)-1(F)並列 3.0(V) 測定値4(s) (1)と(2)、(2)と(3)(4)の点灯時間を比較する。電圧計、電流計の動きにも注意する。 留意点等:点灯時間の計測は、スイッチ2を入れた瞬間から、フィラメントの光が完全に消えるまでの時間を測る。近くで見て測ること。なお、この際、電圧計の値は、まだ0になっていない。使用器具:豆電球 3V用 スイッチ 2個 電池1.5V 2個 電池ボックス 2個 1(F)コンデンサー 2個 ストップウォッチ 電圧計 電流計 |
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コンデンサーの容量リアクタンス | 関連する法則、概念等:容量リアクタンス、交流回路、V=I/(ωC)=I/(2πfC) |
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コイルの誘導リアクタンス | 関連する法則、概念等:誘導リアクタンス、交流回路、V=ωLI=2πfL |
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磁気カード | 磁気化カードに信号が記録されている様子を観察する (1)テレフォンカード、オレンジカード、切符など、磁気記録されているものを用意する。後は図の通り。 |
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ネオジウム磁石 | 鉄、ニッケル以外にも、磁石に反応するものがあることを知る。 (1)図の通り。1円玉は渦電流。シャープペンの芯は反磁性を示す。 留意点等:生徒に作らせるときは、指をはさまぬよう、くれぐれも注意する。 製作材料:ネオジウム磁石 2200円 他は生徒の持ち物などで行う |
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吊り下げ式弱磁性体調べ | 多くの物質に、程度の差はあるが磁性があることを示す
(1)様々な物体を糸に吊り下げ、ネオジウム磁石を近づけ、反応を見る。下げるものは、シャープペンの芯、ティッシュペーパー、野菜、マッチ、ゴム、プラスチック、陶器のかけら、など。 |
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反磁性 | 磁石に反応する性質を持つものがあることを認識する (1)OHP上で、図のようにシャープペンの芯にネオジウム磁石を近づける。会社により、引き寄せられるタイプと、反発して逃げていくタイプがある。 使用器具:ネオジウム磁石 シャープペンの芯(パイロットHB:反磁性を示す)鉛筆(芯の回転台に使う)OHP |
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磁気誘導 | アルニコ磁石、ネオジウム磁石など 鉄球 スタンド、鉄板 |
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磁石積み木 | 磁界内で、磁性体が磁石としてふるまうことを観察する。
(1)小さな金属片(ワッシャーで代用可)で、いろいろな形を作ることができる。 使用器具:ネオジウム磁石 2個 金属片小片(ワッシャー、ゼムクリップなどでも可) |
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消磁・着磁 | 棒磁石の消磁・着磁を通して、磁化について理解する (1)磁石の性質についていくつかの観察。常磁性、反磁性など。 (2)コイル巻き (3)消磁・着磁 (4)コイル解体 以上を2時間続きの生徒実験として実施するとちょうど良い 留意点等:着磁の際、鉄棒をコイルから半分ほど出して実験すると、磁石が勢いよく飛び出す。図の器具は、簡易ラジオメーターでの測定用光源としても使用できます。 使用器具:塩ビパイプ 糸ヒューズ 2A 棒磁石 導線 鉄の棒 |
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電磁力 | ゼネコンを用いて磁界中のアルミ箔に電流を流し、フレミング左手の法則が成り立つことを確かめる。 (1)図のようにセットする。ゼネコンを左回り、右回り、左回りと交互に回し、アルミ箔に電流を流す。 留意点等:アルミ箔は少したるませて貼る。 使用器具:強力U字型磁石 2個 ゼネコン 製作材料:アルミ箔 幅1~1.5cm、長さ40cm程度 セロテープ 小さい箱 木片 |
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電磁力2 | 電流が磁界から受ける力、フレミング左手の法則
(1)図のようにセットし、ゼネコンなどで電流を流し、アルミレール上をアルミパイプが動く様子を観察する。 |
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電解質溶液が磁界から受ける力 | 電解質溶液に電流を通ずるとき、溶液中のイオンが外部磁界から力を受けて動く様子を観察する。
OHPを用いて全員で見る。 |
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相互誘導 | 相互誘導によって、どんなことができるか知る
(1)はじめ、ラジカセをコイルの外に出して、両方の再生ボタンを押す。 |
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自己誘導 | スライダックと蛍光灯を利用して、コイルの自己誘導起電力の大きさを実感する
(1)図のように配線し、バナナジャック同士をなるべく鋭くこすり合わせる。電源が切れたとき、光ることに注意する。 |
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うず電流 | 導体上で磁石を動かすことにより磁界を変化させ、導体に渦電流を発生させる。渦電流と磁界との相互作用により、導体を磁石との相対運動が妨げられる様子を観察する。
(1)机の上に1円玉を置き、その上にネオジウム磁石を置いて、磁石を急に持ち上げる。 |
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UFO降下 | 磁石の運動によって渦電流が発生し、磁石が運動を妨げられる様子を観察する。
(1)アルミパイプを垂直に持ち、ネオジウム磁石を落として、上からのぞく。ゆっくりと、一定速度で落ちているのが見える。 |
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電磁調理器 | プレートが暖まらないのに調理ができる電磁調理器について、その原理を理解する (1)調理器のプレート上に、鉄皿、アルミ皿、小型ビーカーをそれぞれ載せ、ほぼ等量の水を入れスイッチを入れる。すぐに、鉄皿の水が沸騰する。しかし、他の皿はそのままである。 留意点等:鉄皿は、熱くなるので注意。プレートを手で触ってみるとよい。 使用器具:電磁調理器 借りる 鉄皿(灰皿etc.)小型ビーカー アルミ皿 水 |
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積算電力計 | 積算電力計の円盤が、円盤に生ずる渦電流によって回転していること、また、回転数が磁石により円盤に生ずる渦電流によって制御されていること、を理解する (1)制御用磁石をはずす。(脇に回転させておく) 100W電球1個と2個の場合で、回転数を比較する。消費電力と回転数は比例する。(だんだん速くなる) (2)制御用磁石を入れる。 100W電球1個と2個の場合で、回転数を比較する。消費電力は回転速度に比例する。(回転速度は一定) 制御用磁石によって、アルミ板に逆向きの抵抗力が働き、(1)の回転力と釣り合って、回転板は等速回転となる。 留意点等:制御用磁石を強くすると、回転速度が遅くなる。ネオジウム磁石等を使うと良い。 使用器具:積算電力計(理科教材にあり)100W電球 2個 ソケット 2個 |
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合成抵抗 | 10Ω抵抗を組み合わせて、合成抵抗を作り、キルヒホッフの法則で計算した値と、テスターで測った値とを比べる 理論値 測定値 (1)20Ω Ω (2) 5Ω Ω (3)29Ω Ω (4)8.3Ω Ω 使用器具:10Ω抵抗 100本入り 秋葉原で テスター |
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抵抗の並列・直列接続における消費電力 | 値の異なる抵抗を2個、並列および直列に接続する。接続方法により各抵抗での消費電力(量)が逆転することを、電球の明るさの変化で確認する。 (1)電球を並列に接続し、電球の明るさを比べる。家庭用配線と同じ。 (2)電球を直列に接続し、電球の明るさを比べる。 製作材料:100W電球 60W電球 電球用ソケット 2個 コンセント差し込みプラグ リード線 |
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オーム抵抗と非オーム抵抗 | オームの法則に従う抵抗と、従わない抵抗があることを、測定しながらグラフにプロットすることで確かめる。 (1)図のように配線し、まずニクロム線をつなぐ。電圧Vを1[V]ずつ変化させながら、電流Iを読む。その値をI-Vグラフに描く。V:1~6[V]、I:0~200[mA]程度 (2)ニクロム線を豆電球に変えて測定する。ただし、Vの値は最初(0~1[V])は、0.2[V]程度の細かさで行う。 留意点等:生徒に値を読ませ、全員にその場でグラフを描かせてしまう。 使用器具:直流電源装置(6[V]程度)直流電圧計 直流電流計 6.3[V]程度の豆電球とソケット ニクロム線(25Ω程度になる長さ) |
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フィラメントの抵抗値の温度依存性 | フィラメントの抵抗値が温度によって変化することを確かめる。温度が上昇すると抵抗が大きくなる。 [製作]電球のガラスを割って、フィラメントを露出させる。ガラスの部分にセロテープを貼り付けてから割ると、ガラスが飛び散らなくて良い。 (1)図のように配線し、電流を80mA程度流しておく。(100mAフルスケールの時) (2)フィラメントに熱くなったはんだごてを近づけ、電流値が小さくなることを確かめる。 留意点等:半田ごてのかわりに、ヘアードライアーでやってみたが、熱よりも風の影響が大きく、かえって電流値が上がってしまった。 火であぶるとすぐ酸化してすぐ切れてしまう。もともと非常に切れやすい。 使用器具:直流電源装置 直流電流計(できれば大型のもの) 電球用ソケット 半田ごて 60~100Wの電球 |
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半導体の抵抗値の温度依存性 | ダイオードの抵抗値が温度によって変化することを確かめる。温度が上がると抵抗は小さくなる。 (1)図のように配線し、ダイオードをドライヤーから熱風を送って暖める。電流は大きくなる。 (2)次に、冷風を送って冷やす。電流は小さくなる。 留意点等:抵抗Rは、電流をダイオードの最大定格電流以下に抑える。 使用器具:乾電池 1.5V 1個(または直流電源装置)ダイオード 抵抗 10オーム程度)ヘアードライヤー 直流電流計 100mA程度 |
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直流交流回路の共振 | 直列共振回路において、LとCの値を適当に選ぶと、回路を流れる電流が最大になる(共振)ことを、電球の明るさの変化で視覚的に確かめる。 (1)図のように配線し、コイルの鉄心をスライドさせ、Lの値を変える。電球の明るさが、暗-明-暗のように変化する。 コイルはスライダックで代用できる。 留意点等:コンデンサーは、いくつかのコンデンサーを並列接続してやればよい。 使用器具:スライダック 100W電球 コンデンサー 8μF程度 電磁現象実験器のコイル(500T) |
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並列交流回路の共振 | 並列共振回路において、LとCの値を適当に選ぶと、回路を流れる電流が最小(LとCの部分では最大)になる(共振)ことを、2つの電球の明るさの変化で視覚的に確かめる。 (1))図のように配線し、コイルの鉄心をスライドさせ、Lの値を変える。 電球の明るさが、 100W 電球 明-暗-明 20W 電球 暗-明-暗 のように変化する。 100W電球が暗いとき、わずかな電力供給でもLC回路には、大きな電流(20W:明)が流れることを示している。 コイルはスライダックで代用できる。 使用器具:スライダック 20W、100W 電球 コンデンサー 7μF程度 電磁現象実験器のコイル(500T) |
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RLC直列交流回路の実効値 | 抵抗R、コイルL、コンデンサーCを直列につないで交流電圧をかけたとき、各回路素子にかかる電圧に位相差があるため、各素子の両端にかかる実効電圧の和が電源の実効電圧に等しくならないことを示す。 図の添え字eは実効値を表す。 (1)V0eはVRe+VCe+VLeとならない。 例:V0e=50、VRe+VCe+VLe=44+6+25 (2)VCLeは、ほぼ|VCe-VLe|となる。 例:VCLe=|VCe-VLe| =| 6-25 | =19 (3)V0eは、ほぼ(VRe・VRe+(VCe-VCe)・(VCe-VCe))の平方根となる。 留意点等:(2)(3)となるように、各回路素子の値、V0e(スライダックで調整)の値を選んでおく。 使用器具:交流電圧計 5個 スライダック コンデンサー 4.5μF 抵抗 5KΩ コイル 4H |
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交流回路の力率 | コンデンサーやコイルなどの素子に交流電圧をかけたとき、電圧の変化に対して流れる電流の変化が、位相に対してほぼ±90度ずれる。このため、力率がほぼ0になり、電力を消費しない。これを積算電力計を用いて確認する。 (1)電球をつないで円盤がよく回ることを確かめる。 (2)コンデンサーをつないでみる。円盤が回らない。 (3)コイルをつないでみる。円盤はほんの少し回る。 留意点等:積算電力計について、そのしくみを電磁誘導の渦電流のところで見せておくと良い。 積算電力計の磁石は円盤からはずしておく。これは、コイル、コンデンサーではほとんど回らないことを確かめるため。 使用器具:交流電圧計 交流電流計 積算電力計 電球(W数小、比較のため)フィルムコンデンサー 数μF(耐圧200V) コイル 1[H]程度が理想だが、なければ電磁誘導実験器の500Tと250Tのコイルを直列につなぐと良い。 |
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電子レンジで蛍光灯 | 電磁波が伝わると電場が変化することを、蛍光灯が点灯することで確認する (1)電子レンジに、蛍光灯、白熱電球を入れ、スタートさせると点灯する。 留意点等:空炊きにならないよう、水の入ったコップを入れておく。 使用器具:電子レンジ 蛍光灯、白熱電球(きれたものでよい) |
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三段アンプ | (1)高抵抗で、普通、絶縁体とされている物も程度の問題であり、導通することを示す (2)静電誘導により、静電気を検出する (3)放電などによる電磁波の検出を行う (1)入力抵抗に高抵抗のもの(人体、水、木、プラスチック、炎など)をつなぐと、導通する。 (2)針金を端子につなぎ、帯電体を近くで動かすと、静電誘導で電流が流れる。 (3)針金をアンテナとして、電磁波をひろうことができる。(チャッカマン、テレビ、電子レンジなど) 留意点等:ブザーはできるだけ弱い電流で鳴る物。 回路は、非常に敏感なので、プラスチックケースに回路を入れるか、スチロールトレイに載せる。木やベークライトは電気を通してしまい不可。 トランジスタは普通の物で何でも良い。増幅率は10の5乗から6乗オームくらい。 炎の導電性を調べるときは、端子から、針金を少し出して、幅を1cmぐらいにしておく。 製作材料:トランジスタ 3個 30円 LED 20円 ブザー 200円 基板 006P電池、ソケット プラスチックケース 端子 |
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放送衛星までの距離を測る | NHKのBS放送と地上放送の画像や音声のずれの時間から衛生までの距離を求めてみる (1)地上放送,BS放送2台のテレビの画像を見ながら、ストップウォッチで画像のすれの時間を測定する。(北村補足:両方をVTRカメラで撮る方法もある) (2)または1台のテレビとVTR(あるいは2台のVTR)から音声を取り出し、音のずれの時間を測定する。 留意点等:NHKのニュース番組等を利用する。時報はずれがない。 使用器具:テレビ VTR ストップウォッチ イアフォン |