【小学5・6年生向け】理科の達人が解説! 中学受験対策にもなる夏休みの自由研究

中学受験を控えるお子様にとって、夏はとても重要な時期です。「夏を制するものは受験を制す」や「夏は受験の天王山」はよく聞くフレーズですよね。中学受験科目のなかでもとくに成績が伸びにくいと言われているのが理科です。これまで40年以上にわたり、理科を子どもたちに教えてきた倉橋修さんによると、理科は教科書や参考書のような平面ではイメージしづらく楽しくないことから、苦手だと感じる子が多いのだとか。そこで、小学生を対象にした理科実験教室「サイエンス・ラボ」代表の倉橋さんに、中学受験対策にもなるオススメ自由研究テーマを教えていただきました。小学校高学年の夏休みにやっておきたい理科の実験「よく回るモーターをつくろう」と「さおばかりをつくろう」を動画付きでご紹介します。中学受験でよく出題される電磁石とてこの原理を根本から理解し、得意になるきっかけになると思います。理科が苦手な子はもちろん、もっと学びを深めたい子も必見ですよ!

倉橋修　プロフィール
サイエンス・ラボ 代表

名古屋市で小学生を対象とした実験教室サイエンス・ラボを主宰。
慶応義塾大学卒。一般企業で勤務した後、約25年間、河合塾で理科を教え、独立。中日新聞「こどもウィークリー」の理科ワンダーランドを2013年まで執筆。
YouTubeで、理科の実験と授業を融合させた動画を配信中。視聴回数1,100万回、チャンネル登録者52,000名。多くの中学受験生の理科勉強のバイブル動画になっている。現在は、オンラインでも理科教室を開催。理科の全単元を実験動画にし、中学受験の理科勉強を短時間で楽しくできるようにしている。

サイエンス・ラボ：http://science-labo.com/

実験教室「サイエンス・ラボ」代表の倉橋修です。多くの学校や塾では、理科の授業を座学中心でおこないます。しかし、理科は実験の教科です。実際に見て触れて、初めて腑に落ちることがたくさんありますし、何より理科の実験は楽しいので、自然と理解が深まって成績が上がります。私の実験教室では、中学受験に出る理科の実験をすべてやるのですが、そのなかから子どもたちがつまずきやすいものをピックアップしました。動画を交えつつ解説しますので、ぜひ一緒に実験してみましょう!

目次
１．【小学5・6年生向け】中学受験対策にもなる夏休みの自由研究①よく回るモーターをつくろう
２．【小学5・6年生向け】中学受験対策にもなる夏休みの自由研究②「さおばかり」をつくろう
３．理科の達人が解説! 中学受験対策にもなる夏休みの自由研究 まとめ

【小学5・6年生向け】中学受験対策にもなる夏休みの自由研究①よく回るモーターをつくろう

小学校5年生で習う「電磁石のはたらき」は、教科書や参考書だけではとくにわかりにくい単元なので、モーターを自分でつくってみるのが理解の近道です。自分でつくって実験してみると、次から次へと疑問が湧いてきて、とても勉強になりますよ。さらに今回は、ほとんどお家にあるものだけでモーターをつくります。

モーターづくりと聞くと、ついつい市販のキットに手が伸びやすいもの。しかし、キットには複雑な形をした金属パーツがいくつも入っているため、「キットがなければモーターを手づくりできない」と思い込んでしまうんですね。ですが、実際には身の回りにあるものでつくれますし、自分でつくるとうまく作動しなかったときに原因を追求しやすくなります。どこに何を接続しているか、何のためにやっている作業なのかを意識することで、電磁石のはたらきについての理解がより深まりますから、考えながらつくってみましょう。

電磁石のはたらきとは? モーターが回る仕組みを解説

モーターを手づくりする前に仕組みを確認しましょう。なぜモーターが回るのか解説していきますが、平面図だけでは立体感が掴めないので、理解するのは難しいと思います。だからこそ、実際にモーターをつくって、実験してほしいんですね。実物をつくって、見て、触れてから平面図を眺めると、イメージが膨らんで理解しやすくなるはずです。モーターが回る仕組みは、動画の2：30〜解説していますので、あわせて見てくださいね。

上図は、電磁石のモーターを正面から見たものです。電流は①〜⑤の順に流れ、電磁石の“P”はN極になって周りの永久磁石と引き合い、時計回りに回ります。

電磁石の“P”がS極に引き寄せられて真横になったら、モーターは止まってしまうはずです。止まらないようにするにはどうするかと言うと、「整流子（せいりゅうし）」と呼ばれる金属の板がない部分をつくっておくんですね。整流子がないと電流が流れないので、電磁石の極が消え、Pは勢いでS極を通り過ぎます。

上図の①〜⑤の順番をよく見てみましょう。整流子が上下逆になったら、電流の進み方はどのように変わったでしょうか? ここがポイントです。

半回転ごとに、コイルに流れる電流が逆になるのがわかるでしょうか? 電磁石の“P”はN極とS極が交互に変わりつつ、周りの永久磁石と引き合ったり反発したりして、時計回りに回り続ける、という仕組みです。説明がよくわからなくても大丈夫! 自分で電磁石モーターをつくって実験してみると、イメージできるようになるはずです。それでは、このポイントを踏まえてモーターをつくっていきましょう。

【よく回るモーターをつくろう】用意するもの

●用意するもの
・大型ゼムクリップ（鉄／5センチ）　2個
・厚紙（1センチ×5センチ）
・空のペットボトル（500ミリリットル）
・薄いプラ板（コンビニ弁当の蓋など）
・丸い箸
・アルミホイル
・エナメル線　4メートル
・電池ボックス（スイッチ付き）
・乾電池（単3）　2個
・磁石　2個（4個入りのネオジム磁石が便利）
・両面テープ（幅1センチ）
・セロハンテープ
・方位磁針
・紙やすり
・ハサミ

よく回るモーターは、できるだけ身の回りのものを使っていきますが、エナメル線や電池ボックスなどいくつか購入しないといけないものもあります。エナメル線と電池ボックスはホームセンターやインターネットで、磁石は100円ショップのネオジム磁石を探しましょう。電池ボックスはスイッチ付きのもの、磁石は4個入りが便利ですよ。薄いプラ板はコンビニのお弁当の蓋、丸い箸はお弁当の購入時にもらうものなどを活用しましょう。

モーターは、回転部、容器、ブラシの3つのパーツをつくって組み立てます。ひとつひとつの作業に意味があるので、考えながら進めていきましょう。それではつくり方とポイントを、注意点を交えながら解説していきます。

【よく回るモーターをつくろう】つくり方のポイントと注意点

まずは電磁石モーターの回転部をつくっていきましょう。5センチ×1センチに切った厚紙の両面に、両面テープを貼り、大型のゼムクリップを貼り付けます。丸い箸は14センチに切ってから、中央に印を付けておきましょう。クリップを貼り付けた厚紙の真ん中に穴を開け、丸い箸を印の位置まで通します。

モーターの回転部の土台ができたら、次に「整流子」をつくります。アルミホイルに両面テープを6センチ貼ってから、切り取ってください。このときに両面テープを少しはみ出させておくと、次の工程がスムーズになります。続いて回転部に貼っていきますが、ここからがポイントです。

両面テープ付きアルミホイルを半分（幅5ミリ）に切り、丸い箸の上下に貼ります。このとき、上下のアルミホイルがくっつかないように気を付けてくださいね。作業をしながら、隙間を空ける理由を思い出してみましょう。

続いて、モーターの回転部（クリップ）にエナメル線を巻きます。エナメル線の巻き数は、左右で同じくらいにしたいので、エナメル線の真ん中からクリップに巻いていきましょう。何十回も巻くことになりますが、エナメル線のコイルがクリップから外れてしまうことがあるので、クリップの端には巻かないように注意!

エナメル線を巻き終わったら、両端3センチほどを紙やすりで削り、エナメルをはがしましょう。その後、丸い箸の表裏に貼ったアルミホイル（整流子）に、エナメルをはがした部分をそれぞれ付けて、セロハンテープで固定します。箸の先から4〜5センチはテープを貼らないでくださいね。この工程は重要なので、正しいやり方がイメージできない場合は、動画の10:18～を確認しましょう。

ここまでの工程を終えたら、電流を流したときにコイルの両端がN極とS極になっているかを方位磁針で確認します。もしも方位磁針がN極とS極を示さなかったら、コイルに電流が流れていない可能性があるので、そっとセロハンテープをはがし、もう一度エナメルを紙やすりで取り除いてください。エナメルが残っていると電流が流れないので要注意。

モーターの回転部をつくったら、次は容器です。ペットボトルを底から7センチのところで切り、向かい合う位置に深さ2センチ・幅6ミリの溝をつくります。溝には回転部の棒（丸い箸の部分）を置くので、切れ目を内側に曲げておくと安定しやすいですよ。

次にブラシをつくっていきましょう。プラ板に両面テープでアルミホイルを貼り、図のように2つのパーツを切り出します。それぞれプラ板を上にして、山折り・谷折りにしていきますが、動画のように前もって折る線をマジックなどで引いておくとわかりやすいですね。折り方はわかりにくいので、動画の15：35〜を見ながら進めましょう。

2つのブラシができたら、両面テープで容器に貼ってください。貼り方は上図がオススメです。動画では逆に貼っているのですが、試行錯誤した結果、上図の方が回転部の棒がスムーズに回りました。この工程が一番難しいかもしれませんね。コツは、溝から1〜2ミリほど隙間を空けることです。ぴったり貼ると回転部の棒が強く当たりすぎて回転しなくなり、離しすぎると電気が流れません。回転棒とブラシが軽く接触するよう、調整が必要な部分です。

パーツが揃ったので組み立てていきましょう。まず、電池ボックスの導線をセロハンテープなどでそれぞれのブラシにつなぎます。次にモーターの回転部を容器にセットして、内側が反対極になるよう磁石をコイルの横に貼ります。磁石が4個あるなら、挟んで留めるとやりやすいですよ。これで完成! 回転棒とブラシが軽く接触していることを確認して、棒を手で回してみましょう。モーターが激しく回転し始めたら成功です!

モーターが動いたら、実物で仕組みを確認してみてください。平面図ではイメージしにくかった電磁石モーターの仕組みも、実際につくって動かしたら、理解が深まると思います。

モーターが動かない! 原因と解決方法を考えてみよう

手づくりモーターが完成したのに動かない場合は、原因を考えてみましょう。どこで失敗したのか見つけるのが一番の勉強です。どうしてもわからないときは、以下の対策を参考にしてください。

私の理科実験教室では、大半の原因は（1）ブラシと整流子の接触不良でした。上記を試しても回転しない場合は、ブラシをつくるときにプラ板に貼ったアルミホイルが切れてしまったのかもしれません。電流を流しながらどの部分が通電していないのかひとつひとつ調査していくと確実ですね。

【よく回るモーターをつくろう】自由研究のまとめ方&調べ学習と発展

身近にあるものでモーターを手づくりしたら、電磁石の仕組みもまとめてみましょう。キットを使用しないでモーターをつくった時点で、夏休みの自由研究としてはバッチリなのですが、もう少し踏み込んだ内容をプラスしてまとめると、さらに良い自由研究になりますし、電磁石の理解がもっと深まりますよ。

たとえば、手づくりモーターはよく回って、振動もすごいですよね。電磁石は鉄の芯を入れると強くなる性質があるため、クリップを加えたことで回転力が増しています。では、回転音が静かなモーターはつくれないものでしょうか? 方法のひとつは、モーターを縦にすること。ケースを密閉式にして、回転棒の設置を工夫すると静かになります。縦型モーターのつくり方は、動画の18：48～説明しているので、応用としてつくってみるのも面白いですよ。ただし、ブラシを付ける工程が細かいので少し難しいのと、キャップに穴を開けるのに目打ちやドリルを使用しています。危ないので、穴開けは親御さんにお願いしてくださいね。穴を開けられれば、いろいろな容器を使ってモーターがつくれますよ。

今回は「2極モーター」と呼ばれる、N極とS極が一組のモーターをつくりましたが、動かすときに手で回さないといけないので、私たちの生活のなかでは使われていません。実際にどんな仕組みのモーターが主流なのか、理由とあわせて調べてみるのも面白いですね。

【小学5・6年生向け】中学受験対策にもなる夏休みの自由研究②「さおばかり」をつくろう

私たちは重さを量るときに「デジタルはかり」や「台はかり」を使います。乗せるだけで重さがわかるなんて不思議ですし、「機械って絶対に正しいのかな?」なんて考えたことはありませんか? 昔は、今のようなハイテクな量りはありませんでした。江戸時代〜昭和中期まで、八百屋さんや魚屋さんのようなお店では、重さによって値段を決める「量り売り」が主流で、50年くらい前までは「さおばかり」が一般的に使われていたんですよ。今は見かけないさおばかりが、現代の理科の教科書、6年生の単元「てこの原理」で出てくるのは、“なぜ重さがわかるか”の理屈がとてもわかりやすいからです。

さおばかりは中学受験でよく出題されますし、理科実験教室の生徒からの質問もとても多いです。質問に来る子のほとんどは、実物をイメージできずに目盛りをどうやって付けているのか理解できていません。ですから、自分でつくってみれば疑問は解決するはずです。市販のさおばかりキットには、すでに目盛りが打たれているので、一から自分でつくるのが理解への第一歩ですよ。

【さおばかりをつくろう】用意するもの

●用意するもの
・棒（直径5ミリ、長さ40センチ程度）
・タコ糸
・目玉クリップ　2個
・紙コップ（浅め）
・ドレッシングボトル
・砂　合計20～30グラム
・10円玉　4枚
・1円玉　5～10枚
・油性マジック（極細）

基本はお家にあるものを使いますが、ちょうど良い棒がない場合はホームセンターに売っているものを購入しましょう。目玉クリップは棒が挟める大きさであればOK。おもりは、ドレッシングボトルに砂を入れて20〜30グラムのものをつくっておきます。用意ができたら動画を見ながら始めていきましょう。

【さおばかりをつくろう】つくり方のポイントと注意点

まず棒の端に目玉クリップをひとつ付けて、タコ糸を通した紙コップを吊るします。次に、棒の3分の1あたりにも目玉クリップを付け、タコ糸で吊るして「さげお」をつくりましょう。「さげお」とは、手に持つ部分のこと。棒に目盛りを書き込んでいくので、両手を開けるために吸盤やフックなどに引っ掛けておくと作業が進めやすいですよ。

砂を入れて20〜30グラムにしたおもりを上図のように片結びで棒に付け、つり合わせましょう。このとき、さげおとおもりの距離は、できるだけ近いほうが良いです。つり合った状態でさげおの位置と、おもりの位置に印を付け、おもりの印の横に「0」と書きます。

ちなみに、理科の実験をしていると、紐を結ぶなどの細かい作業が出てきますので、片結びができない子はこれを機に練習しておきましょう。私の理科実験教室でも紐が縛れない子が10人に1〜2人ほどいますね。いろいろな実験をするうえで何でもひとりでできたほうが良いですし、これから生きていくうえでも役立つので、実験中は危険なこと以外は何でも自分でやってみましょう。

次に、紙コップに10グラム分の硬貨を入れて、おもりをつり合う位置まで移動させます。つり合ったところで印を付け、「10」と書き込みましょう。紙コップに入れる硬貨10グラムは、10円玉2枚と1円玉1枚、または1円玉10枚でもOKです。

続けて目盛りを付けていきましょう。コップに20グラムを入れておもりを移動させ、つり合ったら印を付けて「20」と書き込み、同じように30グラム、40グラム……と棒の右端に向かって可能な限り目盛りを書けば完成です! 今回は40センチの棒で50グラムまで目盛りを入れることができました。

完成したら、少し離れたところからさおばかりの目盛りをよく見てください。間隔が均等になっているはずです。

それでは、さおばかりを使ってものの重さを量ってみましょう。量りたいものを紙コップに入れて、重さを調べます。重さがわかったら、普段お家で使っているデジタルはかりでも量って、重さを比べてみてください。同じ数値を示しましたか? これでデジタルはかりが正確であることも実証できたと思います。

【さおばかりをつくろう】自由研究のまとめ方と発展①昔の人の知恵を知る「2つめのさげおの秘密」

オリジナルさおばかりをつくったら、さらに発展させて実験していきましょう。今つくったさおばかりの「さげお」は1本ですが、昔のさおばかりには2本のさげおが付いているんですよ。では、何のために2本あるのか考えてみましょう。ヒントは3つです。

ヒント①：先ほどは棒の長いほうを右にしていたが、2つめのさげおはひっくり返して左にして使う。
ヒント②：ひっくりかえした棒にも目盛りが付いている。
ヒント③：おもりをどの位置に吊るしてもつり合わず、皿にものを乗せるとつり合う。


さて、わかったでしょうか? 答えは、「2つめのさげおは、重いものを量るためにある」です。先ほどつくったさおばかりは50グラムまででしたが、2つ目のさげおを使えば50グラム以上の重さを量ることができます。持ち運ぶために棒を短くして、さげおを2つにしたわけです。昔の人の知恵はすごいですね。それでは、先ほどつくったさおばかりを使って、重いものも量れるように改造しましょう。

●重いものを量れる「さおばかり」に改造しよう

本来、さげおは2本付けるのですが、今回は1本のさげおをずらすことで、2本目の代わりにします。まずは現在のさげおを吊るしている目玉クリップの両端に、印を付け忘れていないか確認してください。次に、紙コップが右にくるように棒を回し、紙コップに50グラム分の硬貨を入れ、さげおの位置を紙コップ側にずらします。このとき、紙コップを吊るすクリップとさげおのクリップを近づけ過ぎないように注意! 目安としてさげおが棒の6分の1くらいに来るようにすると良いでしょう。おもりの位置を調整してつり合ったら「50」グラムと書き込みます。2本目のさげおのクリップの両端にも忘れずに印を付けてくださいね。

先ほどのさおばかりをつくった手順と同じように、「60」グラム、「70」グラム…‥とおもりをつり合わせながら書き加えていきましょう。これで、昔のさおばかりと同じ原理のさおばかりができました! 完成したら少し重そうなものを紙コップに入れて量り、デジタルはかりと比べてみましょう。

さおばかりの「2つのさげおの秘密」は、ほとんどの先生も知らないことなので、仕組みを夏休みの自由研究としてまとめるのも面白そうですね。オリジナルさおばかりとともに提出すれば、先生もびっくりする自由研究になるはずですよ。また、さおばかりは近くの博物館などで実物が展示されているかもしれないので、見に行くのも良いでしょう。今回つくった小さなさおばかりや、もっと大きいものなど種類がいくつかあるので、見比べてみると新たな発見があるかもしれません。

【さおばかり】自由研究のまとめ方と発展②身の回りの「てこ」を探そう

さおばかりは「てこの原理」を使っています。私たちの身の回りには、てこを使ったものがたくさんあるので、探してどの部分が「支点」「力点」「作用点」なのか考えてみましょう。

たとえば「爪切り」。爪切りは、2つのてこを使ったもので、テストでもよく出題されますが正答率はとても低いんです。下のてこは上のてこを利用しています。上のてこは、支点は固定され、中央部の作用点が押し下げられることで爪を切ることができるんですね。上のてこの支点と作用点を逆にする子が多いので、わからなかったら動画（身近な「てこ」）で確認しましょう。

ほかにも、栓抜きや、筋肉と骨も実はてこを使っているんですよ。複雑ですが、自転車の変速ギアも同様です。今挙げた身近なてこを含め、サイエンス・ラボのホームページ内で授業動画の一部を公開しているので、苦手な子はもちろん、もっと知りたい、学びたいという子はぜひ見てくださいね。日常に隠れたたくさんのてこを自分で見つけて、仕組みについてまとめれば素晴らしい自由研究になりますし、中学受験対策にもなりますよ。

理科の達人が解説! 中学受験対策にもなる夏休みの自由研究 まとめ

中学受験対策にもなる夏休みの自由研究テーマ「よく回るモーター」と「さおばかり」を紹介しました。今回ご紹介した自由研究は半日～1日程度でおこなえて、電磁石やてこの原理を根本から理解し、得意な単元にするきっかけになるものです。中学受験の勉強で大変な時期でも、身近なものを材料にしてつくるだけで、立派な夏休みの自由研究にも中学受験対策にもなります。実際に手を動かして自分の目で見ることは、理科の知識を深めるうえでとても重要なことです。工夫次第で大抵のものはつくれるのだと知る経験にもなりますし、物事を捉える視野も広がるでしょう。百聞は一見に如かず、自分で実験することで、仮にうまくいかなかったとしても、失敗の原因を考える力が身に付きます。工作を通して我慢強さややり抜く力も身に付きますので、ぜひ夏休みを利用して、試行錯誤しながらつくってみてくださいね。

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