物理学
古典力学
シミュレーション力の実験台:弾性力・浮力・摩擦力
ばねにおもりをつるしてのびを測り、ばねばかりにつるした物体を水に入れて浮力を求め、木片を引いて動き出す直前の力を測る。どの実験も先に予想をえらび、力を矢印(大きさ・向き)で見ながら表やグラフでたしかめる。
制作ツール SceneryStack
シミュレーション波と音
ひもと空気の粒子がその場で振動しながら波を伝える様子を見て、オシロスコープと合成した音で振幅(大きさ)・振動数(高さ)・波形(音色)を比べる。高校のタブでは弦と管(開管・閉管)の定常波、気柱共鳴による音の速さの測定、動く音源のドップラー効果を見て聞く。
制作ツール p5.js
シミュレーション落下運動と力学的エネルギー
ストロボの像を残して落ちる2つの物体の時間–速さグラフと記録表から、1秒ごとに9.8 m/sずつ速くなることを見つけ、位置・運動エネルギーの棒とジェットコースターで力学的エネルギーの移り変わりと保存を確かめる。空気の抵抗や摩擦をありにすると、減った力学的エネルギーが熱などに変わる(高校につながる内容)。
制作ツール Web VPython
シミュレーション力積と安全装置、衝突と運動量
同じ速さの台車をコンクリート壁・マット・エアバッグにぶつけて止め、力-時間グラフの面積で力積を比べる。発展タブでは2台の台車を衝突させ、運動量の和が保存されることを棒グラフで確かめる(高校物理につながる内容)。
制作ツール Web VPython
ゲーム軌道投入ミッション
ニュートンの山の大砲で村を狙い、だんだん速く撃って人工衛星をつくる5段階のミッションゲーム。落ちる砲弾も軌道を回る衛星も、加速度が地球の中心を向くことを矢印で確かめる。
制作ツール three.js
シミュレーションつり合い実験室
てこ実験台におもりをつるし、モビールの糸の位置を動かし、積み木・トラック・クレーンが倒れる条件を探して、合力と力のモーメントの和が 0 のときのつり合いと構造物の安定性を調べる。モビールのつり合いの点が2つの質量の内分点であることを数直線と座標平面で確かめる。
制作ツール three.js
シミュレーション更新10/31スクールゾーンの停止距離
学校の前の 3D の道路で運転席から試験車を走らせ、とまっている車のかげから飛び出す試験用人形を見て自分でブレーキを押し、反応時間を測る。速さ、路面、車の質量、運転中のスマホで空走距離と制動距離がどう変わるかを、v–t グラフの面積と高速カメラのストロボ写真の分析(等加速度運動)で確かめる。
制作ツール three.js
シミュレーション更新10/31宇宙の迷子
命綱が切れた宇宙飛行士が工具を投げてステーションに戻る。投げる瞬間に二つの物体が受ける力を力と時間のグラフで、投げたあとの運動量を矢印と棒で測り、作用・反作用と運動量保存則を確かめ、仲間との衝突や消火器の噴射でロケットのしくみまでつなげる。
制作ツール three.js
シミュレーションGPS時計の補正をオフにしたら
GPS衛星の時計は、なぜわざと「ずらして」合わせるのか。3Dの地球で衛星の信号から位置を求め、高さの効果と速さの効果をオン・オフして1日+38.5 μsを確かめたあと、補正をオフにすると、地上の時計を信じる単純な受信機なら計算した位置が空へ浮き、実際の受信機なら時刻がずれるようすを見る。等価原理、脱出速度と大気、ロケットの軌道投入、ブラックホールまでの6ステージのシミュレーション。
制作ツール three.js
シミュレーション更新10/31車輪と影:単振動
暗い実験室で、平行光線が回る車輪の取っ手を壁に映す。上下する影にばね振り子を合わせて ω = √(k/m) を見つけ、速度・加速度と a = −ω²x を確かめ、接線の傾きと半径1の円で (sin θ)′ = cos θ と合成関数の微分までつなげる。
制作ツール three.js
シミュレーションノイズキャンセリングヘッドホン
半分に切ったノイズキャンセリングヘッドホンの中で、逆の音の遅れ(位相)と大きさを合わせて耳に届く音を0にし、騒音の種類・処理の遅れ・イヤーパッドを比べる。反射のない部屋で2つのスピーカーの間を歩き、経路差で生じる強め合う・弱め合う干渉の模様を探し、逆の音のスピーカーで1つの席を静かにするミッションに挑む。
制作ツール three.js
シミュレーション更新10/31超音波診断:こだまで描く体の中
ばねの列で境界での反射・透過と位相の変化を確かめたあと、おなかの模型に探触子をあててエコーの時間から深さを測り(Aモード)、1本ずつ並べて断面の画像(Bモード)をつくる5ステージのシミュレーション。ゼリーと振動数の効果、レールの中のき裂を探す非破壊検査も扱う。
制作ツール three.js
シミュレーション更新10/31ハンマー投げ
競技場のサークルで7.26 kgのハンマーを回して放す。放した瞬間にハンマーがどちらへ飛ぶかを予想し、ワイヤーの張力と速度のなす角が90°のとき・小さいとき・大きいときに運動がどう変わるかを確かめてから、扇形の中で80 mより遠くへ投げるチャレンジと、飛んでいくハンマー・カーブを回るカートの例で力の向きと運動の向きの関係をまとめる。
制作ツール three.js
ゲーム更新10/31投石機の攻城戦:放物運動と力学的エネルギー
投石機の技師になり、角度と速さを決めて、発射する前に石が落ちる場所(または最高点)を予想してからたしかめる Godot のゲーム。0.25秒ごとに残るうすい石、水平・鉛直成分の矢印、運動・位置エネルギーの棒で放物運動を見て、高い城壁や谷底の的を経て、物理エンジンでくずれる模型の城の旗をたおす。
制作ツール Godot