小５理科「電磁石の性質２」指導アイデア

特集: 1人1台端末時代の｢教科指導のヒントとアイデア｣

2023.10.10

単元の目標

電流の大きさや向き、コイルの巻き数などに着目して、それらの条件を制御しながら、電流がつくる磁力を調べる活動を通して、それらについての理解を図り、観察、実験などに関する技能を身に付けるとともに、主に予想や仮説を基に、解決の方法を発想する力や主体的に問題を解決しようとする態度を育成することがねらいとなります。

学習指導要領では、次のことを理解するようにすることが示されています。

ア（ア）電流の流れているコイルは，鉄心を磁化する働きがあり，電流の向きが変わると、電磁石の極も変わること。
　（イ）電磁石の強さは，電流の大きさや導線の巻数によって変わること。
を理解するように指導しましょう。また、その過程において、思考力、判断力、表現力等や学びに向かう力、人間性等を育成しましょう。

単元展開

総時数　11時間

第１次　電磁石の極

「エネルギー」を柱とする領域である本単元は、主として「量的・関係的」な見方を働かせることが特徴的な学習です。電流の大きさやコイルの巻き数を変えることで電磁石の鉄を引き付ける強さが変化することを、比較しながら調べていきます。そして比較をする際には、条件を制御して、解決の方法を発想することがとても重要になります。本単元では、実験に用いる道具や材料（導線の長さや電池の種類など）など様々な条件のうち、変えたい条件以外の条件が同じになるよう実験の条件を整える必要があります。正確な比較をするために大切なこととして、子供と条件を制御して、解決の方法を発想することの意義をしっかりと確認しましょう。

１　電磁石を作って、気付いたことを話し合う。

電磁石は生活の様々な場面で活躍しています。しかし、子供たちが生活の中で目にすることはほとんどなく、初めて出合う子供が多いと思われます。そこで、単元導入時に、教師が自作した電磁石を用いて、電気が磁力をつくる様子（クリップなどを引き付ける様子など）を提示します。子供たちがもつ電磁石への興味・関心が高まるはずです。第５学年までの学習では、磁力をもつものとして「磁石」について学習してきました。電磁石の性質を追究する際に磁石の性質を想起することでこれからの学習の見通しをもつことができるようになります。

２　電磁石と磁石を比べながら電磁石の性質を調べる。

３　電流の向きと電磁石の極のでき方の関係を調べる。

第２次　電磁石の強さ

４　電流の大きさと電磁石の強さの関係を、条件を整えて調べる。（授業の詳細）

安全指導①

【単元全体を通した注意】
●乾電池をコイルにつないだままにすると、コイルが発熱し、熱くなります。火傷の原因になるので、コイルや電磁石を扱う際は、回路の中にスイッチを組み込むなどして、実験をするときのみ回路をつなぐようにしてください。

安全指導②

回路の中で乾電池を複数扱う際の注意】

●乾電池を導線で繋ぐ時に、＋極と＋極、－極と－極どうしで繋いでしまうと、電流がうまく流れず、電池が発熱したり、破裂したりして、大変危険です。直列回路を作る際は、極の向きに注意してください。

５　コイルの巻数と電磁石の強さの関係を、条件を整えて調べる。

６　「電磁石を利用したおもちゃを作ってみよう！」に取り組む。

７　｢確かめよう｣、「学んだことを生かそう」に取り組む。

授業の詳細

第２次　電磁石の強さ

コイルの巻き数と電磁石の強さの関係を、条件を整えて調べる。

①問題を見いだす【自然事象との出合い】

前時の学習で、磁石と電磁石を比較しながら、それぞれの性質の違いについてまとめたあと、「他にも電磁石について調べたいことはないか」と問いかけます。また、単元の導入において、乾電池１個で巻き数を50回程度に制限した電磁石に触れる体験を十分にしておくと、「もっと巻き数を増やしたい」や「電池を増やしたらどうなるのか」といった気付きや疑問が生まれやすいです。

前回の学習で、「もっと電池の数や巻き数を増やしたい」という意見が出ましたが、どうしてですか。

単元導入時に、教師が提示する電磁石は、乾電池１個の200回巻き（何回巻いたかは子供に伝えない）程度にしておくと、子供たちが自作したもの（50回巻き）と比べ、引き付けるクリップの数が明らかに変わるため、「自分たちの作った電磁石をもっと強くするにはどうしたらよいだろうか」という問いをもつことにつながります。また、キットなどすでに巻いてあるものではなく、コイルを巻く活動をしておくと、巻き数にも目が向きやすくなります。

電池の数を増やしたり、コイルに巻く回数を増やしたりすると、電磁石の鉄を引き付ける強さをもっと強くできるのではないかと思ったからです。

なるほど、電磁石の鉄を引き付ける強さをもっと強くできるかどうか調べてみたいということですね。それじゃあ、みんなから出たように、電池の数とコイルの巻き数をそれぞれ増やした電磁石で調べたらいいかな。

それだと、電磁石の鉄を引き付ける強さが強くなったのは、電池の数のせいなのか、コイルの巻き数のせいなのかわかりません。

変える条件は、１つにしないといけないので、電池の数とコイルの巻き数は、それぞれ別々に調べたほうがいいと思います。

既習の内容ですが、子供たちの多くは、「電池の数」を増やすことが、「電流の大きさ」を大きくすることになるということをうまくとらえられていません。そこで、４年生「電池のはたらき」の学習を想起できるようにし、直列につなぐことで、回路に流れる電流が大きくなることをもう一度しっかりとおさえましょう。

わかりました。では、１つずつ調べていきましょう。ところで、電池が２個の時は、つなぎ方が２通りあったけど、どうつないだらいいのかな。

乾電池２個を直列つなぎにするとよいと思います。4年生の時、回路に流れる電流が大きくなって、豆電球が明るくなったり、モーターが速く回ったりしたからです。

そうだったね。２個の乾電池を直列につなぐことで、回路に流れる電流が大きくなって、働きも大きくなるんだったね。
それでは、まず、電流を大きくすると電磁石の鉄を引き付ける力が強くなるのか調べてみましょう。

問題を「電磁石が鉄を引きつける力を、もっと強くするにはどのようにすればよいだろうか」と設定し、電流の大きさとコイルの巻き数について同時に調べたり、自分たちで選択させたりする展開も考えられますが、複数の実験を同時に行うことで、結果などを整理するのが難しくなる子もいるため、学級の実態に応じて、１つ１つ順に行うなど、展開の仕方を工夫するとよいでしょう。

電磁石に流れる電流を大きくすると、電磁石が鉄を引き付ける力は強くなるのだろうか。

②予想する

電磁石に流れる電流を大きくすると電磁石の鉄を引き付ける力は強くなると思います。４年生の時も乾電池の数を増やすと、モーターが速く回ったり、豆電球が明るくなったりしたからです。

乾電池２個を直列つなぎにして調べないといけないね。

③解決方法を考える

電流の大きさを調べるためには、回路の中に簡易検流計を入れないといけないね。

変える条件は、電流の大きさだから、コイルの巻き数は同じ（50回巻き）にしないとね。

クリップの引き付け方についても、みんなでしっかりと共通の方法を確認する時間を取って確認しておかないと、子供たちは様々な付け方をします。この実験は、単純にたくさんクリップが付けばよいというものではなく、「電流の大きさと電磁石の強さの関係」を調べるという目的意識をしっかりと持つことができるようにし、クリップの引き付け方も条件の一つとして、子供たちで考えることができるようにするとよいです。

今回の変える条件は、電流の大きさだね。では、クリップの引き付け方はどうでしょうか。みんなバラバラでいいですか。

変える条件は、１つにしないといけないので、クリップの引き付け方も統一した方がよいと思います。

では、釘のとがっていない方を使って、クリップをかき混ぜたりせず、そっと３秒間つけて引き上げるだけにしましょう。

１．回路に簡易検流計をつなぎ、回路に流れる電流の大きさをはかる。
２．50回巻きの電磁石をクリップに近づけ、引き付けたクリップの数を調べる。
３．乾電池２個を直列につないで、乾電池１個の時と同じように調べる。

④観察・実験をする

すごい。乾電池２個を直列につなぐと、クリップがたくさん引き付けられたよ。

乾電池を２個にしたからって、引き付けられるクリップの数が２倍になるわけじゃないんだね。

⑤結果の処理

各班の結果を全体で共有し、一覧にまとめる活動を設定することで、他の班の結果と比べたり、全体的な傾向をつかんだりと、より対話的で、客観性の高い考察につなげることができます。また、結果の表示方法を記号や色分けなど工夫して行うことで、視覚的にとらえやすく整理することができます。
なお、実験結果を共有することで、結果にずれが生じた場合には、再検証の実験を行い、それを解消することも大切です。その際には、実験を失敗したからやり直すのではなく、実験方法や条件を確認しながら再実験を行い、条件制御の重要性に目を向けられるようにしましょう。

子供たちの実態により、表による理解が難しい場合は、上の図のような一覧掲示も考えられる。

それぞれの班の結果を、黒板で一緒に比べてみましょう。

流れる電流を大きくすると、引き付けるクリップの数も増えました。

おや、でも、５班さんの乾電池２個の時より、３班さんの乾電池１個の時の方が、クリップの数が多いですね。ということは、電磁石に流れる電流が大きくなっても、鉄を引き付ける力は変わらないということかな。

子供たちが使う電磁石のコイルの巻き方やクリップの付け方、電池の消耗具合など様々な要因から、上記のように班の差が大きく、乾電池１個と２個の数が逆転しているように見えることが時々あります。結果の整理では、他の班と比べるのではなく、同じ班の結果を比較し、電流の大きさと電磁石の強さについて判断するようにしましょう。

それぞれの班で使っている電磁石（条件）が違うので、直接比べることはできないと思います。

なるほど、それではそれぞれの班の電流の大きさと電磁石の強さの関係がどうなっているのかを見ていきましょう。

⑥結果を基に考察する

どの班の結果も、電磁石に流れる電流が大きくなると、鉄を引き付ける力が強くなっています。

電磁石も、モーターや豆電球と同じで、流れる電流が大きくなると、働きも大きくなりました。

⑦結論を出す

電磁石に流れる電流を大きくすると、電磁石が鉄を引き付ける力は強くなる。

⑧振り返る

次は、コイルの巻き数を変えると、鉄を引き付ける力が変わるのか調べてみたいです。

その他のポイント

【鉄心の熱し方】
鉄は、磁石になりやすい性質なので、購入した鉄くぎなどがすでに磁石の性質をもっていたり、いったん磁石の性質をもつとそれが抜けきれず、電流を切っても磁石の性質が残ってしまったりする場合があります。
そこで、事前に「焼きなまし」を行うことで、それまであった磁力を消し、実験に適した状態にすることができます。
鉄が真っ赤になるまで熱し、その後、ゆっくり冷やしましょう。
加熱には、ガスバーナーやアルコールランプ、ガスコンロなどが使えますが、高火力の維持が難しく、ＢＢＱなどの際にアルミホイルに包んだ鉄くぎを炭の中で熱することでも、焼きなましは可能です。
必要に応じて火ばさみや耐火皿などを準備し、やけどや火事には十分注意しましょう。

イラスト／難波孝

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