風車のはたらきから探究する風力発電

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エネルギー

教材一覧風車のはたらきから探究する風力発電

【小学校用】風力発電実験

単元 (小学3年)風の力の働き(小学6年)電気の利用

目標 (小学3年)風の力の大きさを変えると,風車の回転が変わることや、同じ風の大きさでも風車の羽の向きを変えると回転の速さが変わることを実感できる。(小学6年)風力発電実験で羽を回すことで電気をつくりだしたり、蓄えられることを実感できる。

準備

観察・実験

導入

  • 風力発電が、風のもつ運動エネルギーを電気エネルギーに変換することを機械の仕組みを示しながら再確認する。
  • どのようにして運動エネルギーが電気エネルギーに変換されるのか?小学6年の手回し発電機の実験をふりかえりながら、運動する力と磁力により電流の誘導されることの見通しをたてる。

展開1(風の力と運動エネルギーとの関係):羽根の傾きや数、形などを変えると何がどのように変化するのか?

  • 【実験1】:羽根の傾きをかえる

※羽根の傾きを寝かせたとき立てたときの2パターンで風車の回転速度や電気エネルギーが変化することを確認してもらう

※ポイント:羽根にうける風の量が、風車を回転させるための力と関係することを実感できるように風車にあてる風の強さと、風車に取り付ける羽根の枚数を事前に決定しておくこと。

 

  • 【実験2】羽根の枚数をかえる

※ポイント:羽根の枚数を増やすと、枚数が少ないときでは回らなかった弱い風でも回ることに気が付くように実験条件を設定する。すなわち同じ風の力でも羽根のつくりを工夫することで十分に運動エネルギーを取り出せる、エネルギーの変換効率について実験を通じて実感できるように準備すること。

 

  • 【探求実験】先の2つの実験の観点から、より変換効率の良い風車をどのようにすればよいか?実験を通じて探求させる。

展開2(運動エネルギーと電気エネルギーの関係):回転する力からより大きな電気エネルギーに変換するにはどのようにすればよいか?

  • 【観察】発電に用いたモーターを分解(下記の動画①を参照すること)し、中の仕組みを観察する

※ポイント1:電気がどのように流れているのか、モーターの端子と中のコイルとの接続を確認すること。

※ポイント2:中のコイルの回転に対してどのように磁力が関わっているのか?フレミングの左手の法則から電気の流れを考察させること。

 

  • 【実験】磁力を変化させることで電気エネルギーはどのように変化するのか?

手順1:モーターの中のコイルとブラシのみ取り出して専用ケースにおさめることで、実験用発電機を組み立てさせる。(下記の動画②を参照すること)

手順2:磁石の強さや取り付け方などの条件を変えて分析させることで、誘導電流の大きさとの関係を見出させて理解を促す。

まとめ

  • より大きな電気エネルギーを得るためにはどのようにすればよいか?実験・観察で得た知識を振り返りながら考察する。
  • 風力発電以外の発電方法や日常生活の中のエネルギーの変換事例についても取り上げ、同様の視点から考察を試みる。

【中学校用】磁力に着目した風力発電実験

単元 (中学2年)電磁誘導と発電(中学3年)エネルギーと物質

目標 (中学2年)磁石とコイルを用いた風力発電実験を行い,コイルや磁石を動かすことにより電流が得られることを理解できる。(中学3年)風のエネルギーを電気エネルギーに変換する実験を通して,日常生活や社会で自然のエネルギー資源を有効に利用しようとする科学技術の発展の過程をその仕組みから理解できる。

準備

  • コイル封入用の治具(3Dプリンタ) (データは下記3Dプリンタデータを参照)

    1
  • ハブ(3Dプリンタ) (データは下記3Dプリンタデータを参照)

    1
  • モーターコイル (アーテック社のモータから取り出す。)

    1
  • ブラシ (アーテック社のモータから取り出す。)

    1
  • (付箋+つまようじ)

    12
  • 磁石 (例えば25mm径のフェライト磁石

    2個以上
  • ワニ口クリップ

    2
  • デジタルテスタ

    1
  • 低電圧LED

    1
  • 単3乾電池

    1
  • 単3電池ボックス

    1

①発電用モータの分解方法

②実験用発電機の組立方法

さらに深く学ぶために

3Dプリンタ用データ

以下のデータの閲覧にはオンラインの3DCADソフトであるTinkercad(Autodesk社)のアカウント作成が必要です。

下記リンクをクリックするとTinkercad(Autodesk社)が立ち上がりアカウントを要求してきます。ご自身のアカウントで入ると編集可能な3Dプリンタのデータを閲覧できます。ご自由に編集したり、3Dプリンタに出力してお使いください。

なお出力する際には必要なデータを選んで「エクスポート」->「stl」で保存してください。

 

実験レポ