STEMコース教材リストメタル・フォーカス

背景

STEM教育、特に力、伝導性、熱特性といった抽象的な概念を具体化する物理学では、実践的な実験が不可欠である。力学、電磁気学、光学を効果的に学ぶためには、それらを表す実際の材料が非常に貴重です。多様な応用が可能な材料群のひとつに、銅、アルミニウム、チタン合金などの金属サンプルがあります。密度、強度、電気伝導率、熱伝導率の変化を示すのに利用でき、理論と実践を関連付けることができます。

トピックの概要

この場合のSTEM教育は物理学が中心であるため、生徒は材料特性について十分な情報を持っている必要がある。金属サンプルを使って、生徒は以下のことができる：

-密度の比較を行い、重量と体積の条件下で材料がどのように機能するかを予測する。

-機械的強度の試験を行い、金属の応力-ひずみを調べる。

-電気伝導性を実験し、なぜ銅線が電子機器に使われるのかを調べる。

-熱伝導率をテストし、アルミニウムがヒートシンクに使われる理由を説明する。

これらの特性を、航空宇宙、電子工学、建築などの日常的な用途に関連づけることで、生徒は基本的な物理原理の関連性を理解することができます。

必要な材料

オプション：クランプ、断熱マット、実験中の金属サンプル取り扱い用安全手袋。より高度な材料については、Stanford Advanced Materials (SAM)をご覧ください。

ステップごとの手順

1.密度測定

金属試料の密度を測定し、理論値と比較するには、デジタル天秤、ノギスまたは定規、メスシリンダー（水の変位を定量化するため）、金属試料（アルミニウム、銅、Ti-6Al-4V）が必要です。密度は体積に対する質量です。

ステップ1：質量測定

デジタル天びんの電源を入れ、ゼロにします。

各金属試料を天秤に載せ、その質量（(m)）をグラム（g）単位で測定します。

正確を期すために2回測定します。

ステップ2：体積測定

規則的な形（立方体、円柱）の試料の場合：

-ノギスまたは定規を使って測定値（長さ、幅、高さ、または直径）を記録する。

-適切な幾何学的公式を適用して体積（V）を求める。

不規則な形状の試料の場合

-メスシリンダーに既知の量の水を入れる。

-試料を完全に沈め、体積の変化を読み取る。

-その差が試料の体積（立方センチメートル(cm³)）である。

ステップ3：密度を求める

公式を使います：

ρ= m/V

ここで、ρは密度（g/cm³）、mは質量（グラム）、Vは体積（cm³）です。

各金属試料について計算する。

ステップ4：理論値との比較

測定した密度を一般的な密度と比較してください：

- 銅：～8.96 g/cm³

- アルミニウム: ~2.70 g/cm³

- チタン合金(Ti-6Al-4V)：~4.43 g/cm³

不一致と考えられる誤差の原因（測定の精度、気泡など）について説明すること。

2.機械的強度の実証

機械的強度と弾性を調べるために、簡単なテコやバネシステム、質量、定規やダ イヤルゲージを使い、変形量を測定する。この実験では、材料が応力を加えるとどのように反応するかを示します。

ステップ 1: 装置の準備

簡単なてこシステムを作るか、両端で支持された梁を利用します。

力を加えるべき領域に金属試料を置き、強く固定する。

ステップ2：徐々に力を加える

梁の中間点に徐々に重りを加えるか、圧力をかけます。

曲げや変形が見られるたびに、観察し記録します。

ステップ 3: データの記録

各ステップにおける力（F）とそれに対応するたわみ（ΔL） を測定します。

各金属サンプルについて試験を繰り返します。

ステップ4：結果の観察

応力とひずみの関係についてコメントし、ヤング率（E）を通して剛性を比較する：

- 銅：～110～130GPa

- アルミニウム：～69 GPa

- チタン-6Al-4V：～110GPa

ある材料がより簡単に曲がり、ある材料が変形に耐える理由を説明しなさい。

さらに読む：人類が知る最も強い10の材料

3.電気伝導度試験

電気伝導度試験と試料の比較を行うには、直流電源、マルチメーター、ワニ口クリップワイヤー、金属試料が必要です。導電率は、測定された電圧、電流、および試料の形状から得られます。

ステップ1：回路の接続

- 直列回路を作ります：電源、金属試料、マルチメータを1つのループに入れます。

- 電流（I）を測定するには、マルチメータを直列にする必要があります。

- 電圧（V）を測定するには、試料を挟んでプローブを互いに平行にする。

マルチメーターが1台しかない場合は、電圧と電流を別々に測定する。

ステップ2：電流と電圧の測定

- マルチメータを正しいモード（DC電圧または電流）にします。

- 回路を流れる電流と試料の電圧降下を測定します。

ステップ3：導電率の計算

1.オームの法則を使って抵抗を計算する：

R = V/I

2.導電率の公式を使用する：

σ= L/(R*A)

ここで (L) = 試料の長さ、(A) = 断面積、(R) = 抵抗。

ステップ4：結果の比較

予想される導電率：

- 銅：～5.96×10⁷ S/m（非常に高い）

- アルミニウム：～3.5×10⁷ S/m

-Ti-6Al-4V: ~1.8 × 10⁶ S/m (かなり低い)

なぜ導電率が変化するのか、原子構造と電子移動度を用いて説明しなさい。

4.熱伝導率の観察

この実験では、異なる金属の熱伝導の速さを見ることができます。熱源(ホットプレートなど)、温度計または熱プローブ、同じ大きさの金属棒が必要です。

ステップ1: 試料の準備

ほぼ同じ大きさの銅、アルミニウム、Ti-6Al-4Vの試料を耐熱性の場所に置きます。

その長さに沿って温度センサーを挿入する。

ステップ2：熱を加える

各サンプルの一端をゆっくりと加熱し、他は室温に保つ。

加熱時間と加熱強度は同じにする。

ステップ3：温度分布の測定

ロッドに沿った温度を等間隔（例えば10秒）で測定する。

各試料の遠端がどれほど急速に加熱されるかに注目する。

ステップ4：比較と分析

熱伝導率とエネルギー移動の効率について説明する：

-銅：～401 W/m-K

-アルミニウム：～237W/m・K

銅：～401 W/m-K-アルミニウム：～237 W/m-K-Ti-6Al-4V：～6.7W/m・K

銅が最も早く熱し、チタン合金が最も遅く熱する理由を、格子振動と結合の観点から説明してください。

よくある質問

Q: 金属が実験室や工業用途で価値があるのはなぜですか？

A: 金属の強度、伝導性、密度は、配線、手術器具、化学反応器などに適しています。

Q: 電気伝導率や熱伝導率は原子構造とどのような関係がありますか？

A: （銅やアルミニウムのような）自由電子金属は熱と電気の伝導体であり、量子物理学と固体物理学の原理を示しています。

Q: これらの特性は、医薬品や化学装置の設計に影響を与える可能性がありますか？

A: はい、ステンレス鋼やチタンは、熱的安定性、強度、耐食性に基づいて、反応器や配管に日常的に使用されています。

結論

物理学を基礎とするSTEMコースで金属試料を使用することは、データに基づいた触れる学習経験を提供します。生徒は、工学および工業用途に影響する重要な材料特性を測定、比較、試験することができる。このような実験では、密度、強度、導電性といった概念はもはや抽象的なものではなく、目に見える、測定可能な、具体的なものとなる。実践的な学習は、学習をより確かなものにし、工学、化学、応用物理学の問題解決に応用できるようにします。

その他のリソース

-Stanford Advanced Materials (SAM) -金属特性データベース

-Callister, W.D., Materials Science and Engineering：入門第10版

- STEM 高校および学部物理プログラム用実験マニュアル

- オンラインチュートリアル密度、導電率、熱伝導率の実験