滑車を通して糸につながれた二物体の運動について，仮説の設定や推論する活動を行うとともに，観察，実験を通して運動の法則を検証する活動に興味・関心をもって意欲的に取り組むようにする。
高等学校の物理で扱う自然現象には，時間とともに刻々と変化するものが数多くあり・教科書と黒板を使っての説明だけでは現象の本質を衝くようなイメージが形成されにくく，理解に限界が出てきてしまう。特に，力学分野は物理の導入部分に置かれており，変位，速度，加速度といった感覚的に馴染みにくい物理量が頻出し，ともすると無味乾燥な授業になってしまいがちである。記録タイマを使って力学現象を探究する学習活動を行って興味・関心を高めることも考えられるが，データ処理に以外と時間がかかってしまうという難点がある。
そこで，従前には記録タイマで行っていた加速度の測定部分をコンピュータで置き換え，実験から結果を得るまでの時間を短縮し，実験そのものの効率化を図るようにした。そして，学習のポイントを，実験結果の導出と結果の検討の両方ではなく，後者のみに絞り，目的をより明確にすることとした。
本時では，運動の法則のまとめとして，滑車を通して糸につながれた二物体の運動という具体的な事例について，コンピュータ計測を活用して探究する。前時までに，ビデオカメラでの撮影結果の解析をもとに，運動の第二法則（ｍａ＝Ｆ）の検証を行っているので，本時では具体的な力学現象の考察を理論値と実験値の比較を通して行い，従来は問題演習として扱っていた内容について，より具体的に探究できるようにする。
実験の手順は次のとおりである。実験計測器にはカウンタが２個内蔵されており，これを計測に利用することにした。実験計測器に電磁石と光電スイッチを信号変換器を経由して接続する。光電スイッチは間隔を４cmにしてある。電磁石の芯の電位を５Ｖにしておき，これと被検定物との間にアルミ箔をはさんでおく。電磁石のスイッチを切ると，被検定物が磁石から離れ，同時にアルミ箔も磁石から離れる。被検定物が磁石から離れることによってアルミ箔の電位が変化し，これが信号変換器に入力される。
光電スイッチの部分は，右のＬＥＤの光が左のＬＥＤに当たると，左のＬＥＤに電位差が生じ，電流が流れる。被検定物が二つのＬＥＤの間に入ると，光を遮るので，左のＬＥＤの電位差はなくなり，電流は流れなくなる。電流の流れの変化が信号変換器に入力される。
それぞれの信号をもとにして，信号変換器の中で，実験計測器で対応できるような信号に変換する。一つは，電磁石を離れてから二つ日のＬＥＤに達するまでの時間（ｔ1）に対応する信号，もう一つは最初のＬＥＤに達してから二つ日のＬＥＤに達するまでの時間（ｔ2）に対応する信号である。
 図２ 信号変換器の回路 |
 図３ 測定時間ｔ1とｔ2の関係 |
速度については，ＬＥＤ間の距離を通過時間で割って平均の適さを求める。ここでは，0.040（ｍ）÷ｔ2としている。また，加速度については，上で求めた平均の速さを電磁石～ＬＥＤ間の所要時間で割って求める。ここでは所要時間をｔ1－ｔ2／２としている。
 写真１２ 光電スイッチ部 |
 写真１３ 滑走体と発射部 |
一方，コンピュータ側では逐一実験計測器から計測時間を得て，計測時間をもとに，平均速度と経過時間，加速度を求め，画面に大きく表示する。表示内容はファンクションキー［Ｆ６］～［Ｆ８］で切り替える。
 図４ 実験の手順 |
被検定物が磁石を離れると計測装置のタイマ１がスタートする。物体が最初の光電スイッチに達すると，タイマ２もスタートし，次の光電スイッチを通過すると，二つのタイマがストップする。
タイマ作動中に計測装置から得られる時間は変化しているため，計測中は画面も常に変化している（数値は読めない）。通過し終わる（測定が終わる）と計測装置からのデータは一定値になるので画面表示が安定し，測定値が読めるようになる。
計測装置の計測時間は最大65535×最小測定時間なので，［Ｆ５］キーで最小測定時間（分解能）を調整し，計測時間が装置の限度を越えないように調整する必要がある。
| ア | 情報の判断，選択と評価 滑車を通して糸につながれた二物体の運動については，糸の張力や加速度の測定が難しく，これまでは演習問題として扱っていた。したがって，生徒は張力や加速度が実際にどうなっているか判断する材料をほとんど持たなかったといってよい。実証科学の一つである物理の学習においては，そうした物理量を理論的に求めることだけではなく，理論値と実験値を比較しながら，法則が成り立っていることを主体的に判断できるような学習活動となっていることが望ましい。理論的な計算を行う学習活動においては，生徒が運動方程式を立てて加速度等を計算する様子を十分に観察し，適切な助言をして支援する。 |
| イ | 情報の整理，処理と評価 加速度を測定する実験は，教卓での教師による演示という形態になるが，生徒が主体的に実験に取り組むという観点から，二物体の質量を変化させての加速度の測定に数人ずつ交代で生徒を参加させるなど，一人一人の興味・関心を高める工夫をすることが大切である。また，生徒が加速度の測定を行っている活動の中で，生徒の表情やしぐさなどから個性の把握に努め，意欲を読み取るようにする。 測定した加速度のデータは，二物体の質量ごとに表にしておくなど，運動の状態をさらに詳しく分析する作業がしやすくなるように整理しておくことが大切であり，生徒が測定表を効果的に作成できるように，適切に助言したり支援したりする。 |
| ウ | 情報の創造，伝達と評価 実験に関わる表現活動として，加速度を測定し結果を実験ノート等に整理する活動を行った後，二物体の質量と加速度の関係をグラフに表すなど，新たな課選を示すことが考えられる。その際，生徒が自らの発想を生かしてまとめる活動において，生徒の個性に十分配慮しながら，生徒一人一人が創意ある報告を作成するよう支援することが大切である。また，作成したものを発表し合うなどの機会を設け，生徒がまとめた結果を認めることによって生徒の意欲を高めるよう配慮する。 |
| ア | 感想文にみる生徒の反応
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 写真１４ 授業風景 |
授業を実施したのは，２年次の物理選択者のクラスである。本校では２年次で化学を全員履修し，さらに物理または生物の一方を選択で履修する。例年，２年次での履修者のうち約７，８割が３年次で理科系進学を希望する傾向にあり，理数系の科目に関心の高い生徒が多い。
運動の法則の学習は１学期末に済んでいるが，学習確認テストの結果から，定着が良いとは言えないことがわかった。例えば，授業前半の問題演習で状況の概念図に矢線ベクトルを引くのに手間取る生徒が多く，力と運動に関する基本事項が身に付いていない生徒への対応に十分な配慮が必要であった。問題演習の途中で適宜説明を入れて授助するように努めた。
演示実験では，おもりの質量を変えて測定を繰り返し，次のような結果を得た。
表１ 実験の結果
| おもりの質量 | 加速度（論理値） | 加速度（測定値） |
| ２０ｇ ４０ｇ ６０ｇ |
３．２７ｍ／ｓ２ ４．９０ｍ／ｓ２ ５．８８ｍ／ｓ２ |
３．０９ｍ／ｓ２ ４．７５ｍ／ｓ２ ５．７１ｍ／ｓ２ |
これまでの運動の法則の検証実験では、記録タイマや台車を使って打点の間隔を測って加速度を出す方法をとっていたが、生徒がかける手間や時間の割には実験結果の精度が悪く、生徒の意欲を必ずしも高めるものではなかった。ここが従来の方法の最も改良を必要とする点と考えて，具体的な問題に直結する形での運動の法則の検証実験に取り組んだ。
演習問題と同じ状況を実験装置で実現させたことにより，生徒は興味・関心を高め，コンピュータ実験計測によって法則の正当性を判断するという明確な目的意識をもって学習活動を行った。また，生徒は演習問題を解くことで，事前に現象の状況をよく把握することができ，実験結果と理論値を比較する活動に意欲を持って取り組んだ。計算違いをしている生徒には，実験結果の整理が強力な反省材料となり，自己修正を容易に引き起こせることも利点となった。
運動の第二法則の検証実験のように単純化された状況設定の中で加速度を測定するのではなく，二物体が相互作用しながら加速度運動するという現実的な状況をコンピュータによる実験計測で観察，実験を行ったことにより，質量と加速度の新たな関係に目を向け，自然現象の中の規則性や法則性の多様な側面に気付くことができた。