スマートフォン（スマホ）の加速度センサーを用いたアプリケーション "DiracmaA"や”DiracmaJump" を開発し、種々の力学実験への応用可能性を明らかにした。誰もが持っているスマホに内蔵されている加速度センサーを用いることで、実験室に限らずどこででも実験が可能となる。本装置を用いて、鉛直投げ上げ運動、水平投射運動、人のジャンプの運動を測定した。
１．はじめに
スマートフォン（スマホ）を使ったアプリケーション（アプリ）Diracmaシリーズを開発し、高校・大学での物理実験をどこででもできるようにしてきた。授業実践を行いながら、アプリの改良を繰り返し、通常授業の授業だけでなく、オンライン授業でも使いやすいものに発展させてきた。このDiracmaシリーズには、スマホの内部センサー（加速度センサー、オーディオ機能等）を使ったものや、外部センサー（超音波センサー、複数の音センサー等）をスマホに接続するものがある。下記では、加速度センサーを使った研究を中心に概要を紹介する。
２．スマホの加速度センサーを用いた実験
（１）加速度センサーを用いたアプリ
①DiracmaA
アメリカで行われている物理教育におけるアクティブラーニングでは、測定から結果表示がすぐに行えるPCとセンサーを用いた実験方法が用いられている。スマホは同様の機能を有しており、さらに表1に示すように、さまざまな落下運動にも容易に対応できる。
本アプリの特徴は図１に示す通りで、従来のアプリにない特徴（v-tグラフ、時間幅、平均値、傾き表示等）を有している。
②DiracmaJump
加速度の変化から、人のジャンプ高さを自動測定するアプリである（加速度の時間変化からジャンプ時間を推定）。このような自動計算ができるのかを議論し、鉛直投げ上げ運動への興味・関心を高めることに使用する。
上記のDiracmaA、DiracmaJumpについては、無料で配布していますので、ご連絡ください。
（２）加速度センサーを用いた物理実験
①鉛直投げ上げ運動
アプリDiracmaAのメニューから「鉛直投げ上げ」を選ぶ（１画面になり、もう一度、選ぶと起動時の２画面の状態に戻る）。落下での損傷防止に床にクッション材を敷いておいて、スマホの長手方向（図２、加速度センサーのY軸方向の正の向きを上向きにする）を地面に垂直に保持しながら、スマホを鉛直投げ上げる。図３のように、スマホが空中に飛んでいるときは、投げ上げる方向と逆方向に重力加速度が一定にかかっていることが一目でわかる。v-tグラフにすると、上昇中に等加速度で減速していることがわかる。
③ジャンプの高さを測定
スマホの向きを鉛直投げ上げのときと同様に保持しながらジャンプする。図５上図にジャンプのa-tグラフを示し、図５下図はジャンプ区間の拡大図とスマホのカメラの結果を重ねたもので一致していることがわかる。さらに、アプリDiracmaJumpによって、このジャンプ時間から高さを自動で測定すると、図６のように実測値と計算値はほぼ一致した。
なお、本研究の一部はJSPS 科研費 JP19H00087、JP21K02954の助成を受けている。また、本研究は、2017年度東レ理科教育賞を受賞している。
３．アプリを用いた物理実験の出張授業
スマホに内蔵されている加速度センサーを用いて、いつでもどこでも実験が可能となる。このような実験を高校からの依頼で実施しております。大学までご連絡ください。
論文
「スマートフォンの自作アプリを用いた物理実験の意義への一考察」(2023)『大阪工業大学紀要』68(2)p.9-18.
「スマホのソフトウェア開発とそれを用いた物理教育」(2018)『東レ理科教育賞受賞作品集』1p.6-10.
「スマートフォンの加速度センサーを用いた水平投射実験」(2018)『応用物理教育』42(1)p.57-60.
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