抵抗・電圧・電流の直感的理解から定量的理解へと導く水流モデル教材の開発

开发从直观到定量理解电阻、电压、电流的水流模型教材

• 批准号: 24909055
• 负责人: 川合 政人
• 金额: $ 0.26万
• 依托单位: Hakodate National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-24909055/
• 关键词: 電気回路; 水流モデル; 教材

目的:中学校の理科教育での電気回路の説明において、電流を水流に対応づけた水流モデルが用いられているが、既存のモデルは抵抗・電圧・電流の振る舞いを明快に表現していない。そこで本研究では、まず抵抗・電圧・電流を直感的に理解し、続いて電気回路の定量的な理解へと導くことを目的として、独自の水流モデル教材を開発した。実施内容:まず、各種水流モデルの製作事例を調査・検討した結果、水路上面が密閉されていない「開きょ形状」の水流モデルを製作することにした。開きょ形状固有のメリットは、<水路途中の水位>がく電気回路における電位>に対応し、エネルギーである電圧を直感的に理解できることである。また他の水流モデルと同様に、<水路途中の流量>がく電気回路における電流>に、<水路途中の障害物>がく電気回路における抵抗>に対応付けられる。水路中の水位は、流れを妨げる障害物の多・少に応じて変化すると考えられるので、オームの法則を本水流モデルで表現可能であると予測した。この予測を検証するため、開きょ形状の水流モデルの試作を行った。1回目の試作として、水道水を利用した非循環タイプの水流モデルを製作した。次に、電気回路により近い表現を行うために小型のポンプを利用した循環タイプの水流モデルを製作した。これらの試作にあたっては、3次元CADを用いて装置を設計し、CADデータをもとにレーザー加工機でアクリル樹脂板の切断と溝加工を行った。成果:電気回路の振る舞いを水流モデルで表現することを目的として、開きょ形状の水流モデル(非循環・循環タイプの2種)を製作し、以下の知見を得た。(1)開きょ形状の水流モデルは、電気回路における電圧降下を水位差として直感的に表現できる。(2)循環タイプの水流モデルでは、抵抗と水位差の関係が定量的に評価可能である。

目的：在解释初中科学教育中的电路时，使用了与水流相对应的水流模型，但现有模型并未清楚地表达电阻，电压和电流的行为。因此，在这项研究中，我们开发了一种独特的水流模型教材，目的是首次直观地了解阻力，电压和电流，然后导致对电路的定量理解。实施详细信息：首先，在研究和检查各种水流模型的生产示例之后，我们决定创建一个“开放形状”水流模型，而没有水通道的密封表面。开口形状的固有优势在于，它与水通道中间水位的电路中的电势相对应，从而使您可以直观地理解电压，即能量。与其他水流模型相似，电路中的电路中的电流在水通道中间>中间的流速与电路中的电阻相关，并在水通道中间有障碍物>。由于认为该通道中的水位会根据干扰流动的数量或几个障碍而发生变化，因此我们预测可以使用当前的水流模型来表达欧姆定律。为了验证这一预测，我们创建了一个具有开放形状的原型水流模型。作为第一个原型，我们使用自来水创建了一个弓形型水流模型。接下来，使用小泵制造了循环类型的水流模型，以创建更接近电路的表示形式。在这些原型中，该设备是使用3D CAD设计的，并根据CAD数据使用激光处理机切割和凹入丙烯酸树脂板。结果：为了使用水流模型表达电路的行为，我们创建了一个具有开放形状的水流模型（两种类型：非循环和循环类型），并获得了以下发现。 （1）开阔的水流模型可以直观地表达电路中的电压下降，因为水位差。 （2）在循环类型水流模型中，可以对电阻和水位差异之间的关系进行定量评估。