授業連携

電波観測プログラム

三重県・三重県立津西高等学校

  • 高等学校
  • 高1
  • 探究

概要

<全授業を通した指導目標>

<対象>

高校1年生 40名

<期間>

平成19年10月22日~平成19年11月26日

<区分>

SSH(スーパーサイエンスハイスクール)

構成表

実施日
時間
形式
人数
授業内容
1
100分
講義
40名
「ビッグバンと宇宙のしくみについて」
講師:曽根 理嗣
(JAXA宇宙科学研究本部 宇宙探査工学研究系 准教授)
支援:宮原 有香
2
100分
講義
実験
40名
「宇宙の観測」
講師:松本 敏雄
(JAXA宇宙科学研究本部 名誉教授)
支援:浅野 眞
3
100分
実験
40名
電波からX線まで、さまざまな電磁波で観測する
講師:朝木 義晴
(JAXA宇宙科学研究本部宇宙情報
エネルギー工学研究系 助教授)
支援:宮原 有香・岸 詔子
4
100分
講義
40名
電波からX線まで、さまざまな電磁波で観測する
講師:朝木 義晴
(JAXA宇宙科学研究本部宇宙情報
エネルギー工学研究系 助教授)
5
100分
実験
40名
電波からX線まで、さまざまな電磁波で観測する
講師:朝木 義晴
(JAXA宇宙科学研究本部宇宙情報
エネルギー工学研究系 助教授)
支援:宮原 有香・岸 詔子
6
100分
発表
40名
実験結果発表会
講評:朝木 義晴
(JAXA宇宙科学研究本部宇宙情報
エネルギー工学研究系 助教授)
支援:岸 詔子・宮原 有香

第1回目/全6回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>

・宇宙開発の最前線について学ぶ
・宇宙のしくみ、宇宙が誕生したしくみを学ぶ

時間配分
学習内容
講義
『JAXAとは』
・ロケットの開発
・地球観測
・宇宙ステーションの運用
講義
『微小重力環境』
・重力とは:体の重さを感じるのは、重力に対して、地面から逆向きの力を受けているから
・人工衛星が飛び続ける理由:物を速く投げると遠くまで飛ぶ。地上に落ちない速度7.9km/s(第1宇宙速度)で飛べば、地球の丸みに沿っていつまでも落ち続ける。
・パラボリックフライト:飛行機で自由落下(放物線飛行)するときに20秒ほど、機内は微小重力状態になっている。
・ラグランジュポイント:地球は太陽の重力を受けながら太陽の周りを回っている。この空間へ人工衛星のような小物を置くと軌道が不安定となり、地球や太陽にぶつかってしまう。ところが重力バランスが絶妙につり合う場所が複数あり、ここへ人工衛星をおくと安定して回り続ける。この場所をラグランジュポイントといい、L1からL5の5つある。アニメの機動戦士ガンダムでは、L4とL5にスペースコロニーが置かれていた!「次世代大口径赤外線天文衛星SPICA」をL2へ打ち上げるミッションが進行中である。
講義
『宇宙探査(科学観測)』
・H-IIAロケットはJAXAが開発し三菱重工が製造・打ち上げ。液体・固体燃料併用で大出力。気象衛星など商用衛星を打ち上げる。
・M-VロケットはJAXAの宇宙科学研究本部が運用する3段式固体燃料ロケット。惑星探査機など(X線天文衛星すざく・赤外線天文衛星あかり・太陽観測衛星ひので)内之浦宇宙観測所に発射基地。夏休みの国内研修ではM-Vロケットを見学した。
講義
『宇宙探査(月・惑星探査)』
・惑星探査では、小惑星イトカワへ探査衛星はやぶさを打ち上げた。
・現在注目は月探査。月探査衛星かぐやが月の周回軌道へ投入され、ハイビジョンで月の映像や月から見た地球の出を送ってきた。月探査はアポロ計画が現時点で最大のものだが、実は日本はアメリカ、ロシア(当時はソ連)についで1933年に月へ衛星ひてんを着陸させた。現在でも未解明な部分が多い未知の星月、かぐやには様々な観測機器が積まれており、今後様々なミッションを行って、月の謎を解明してくれるに違いない。
・3~4年後は金星探査。10カ国で水星探査が計画中である(水星には磁場があるから)
講義
『宇宙探査(将来像)』
・次世代惑星間航行技術・太陽系探査ミッション・宇宙の果てまでの観測完全再利用型ロケットの実験機「RVT」など様々な計画がある。

授業の感想・メモ

  • ロケット打ち上げ場の真下に人間がいるというのは初耳で、びっくりした。映像を観ると発射のときは結構激しく部屋が揺れていましたが、みんな平気だったのが印象的でした。
  • 宇宙空間では熱を捨てることが難しいなんてふしぎだなぁ。
  • 宇宙に興味がわきました。重力の話、電波の話を聞いて、次回どちらの実験を選択するか迷います。両方楽しそうです。
  • 自分が心から好きになれるものを仕事にして、一生過ごしていけるということは本当に幸せなことなんだと感じました。曽根先生もその幸せな一人で、とても生き生きとして見えました。

第2回目/全6回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>

・光以外の電磁波でどのように宇宙を観測しているのかを学習する。
・実際に電波望遠鏡を作成し、観測する

時間配分
学習内容
『様々な天体・多様な物質の存在』
・宇宙には、太陽系 太陽、惑星、彗星、天の川銀河、星雲、星間ガス、宇宙塵など様々な天体、多様な物質がある
・今も星・惑星が作られている!星は進化し、最後は白色矮星、中性子星、ブラックホールへと変化する。そうして物質は輪廻する。
『宇宙の状態』
宇宙には密度・温度(温度のある物体は必ず電磁波を放射)・エネルギーなど様々な状態がある。宇宙には始まりがあった。全ては137億年前のビッグ・バン!から始まった。
『観測の手順』
リモートセンシングの方法は3つ
電磁波(光、電波、X線など)・宇宙線(陽子、電子、ニュートリノ)・重力波
電磁波による観測
・電磁波は電荷の振動

授業の感想・メモ

  • 電波から明るさや空間構造など予想以上に多くのことがわかると知ってびっくりした。電波望遠鏡を作って、宇宙のいろんなことが調べられるのが楽しみ。
  • 今日の講義は私のとても好きな分野だったので、2時間楽しんで聞くことができました。またSSHで今回初めて質問することができました。電波望遠鏡の奥深さに驚きです。

第3回目/全6回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>

・光以外の電磁波でどのように宇宙を観測しているかを学習する
・実際に電波望遠鏡を作成し、観測する

時間配分
学習内容
『目で物が見える理由』
・もっとも活躍してきた天体観測方法は目である。視覚細胞には、光の三原色に反応する維体細胞がある。太陽光はすべての波長の光を含むが、「赤いもの」にあたると赤色に対応する波長だけを反射し他を吸収する。反射された波長を目の垂体細胞が感じることで、「赤色」を認識する。色は脳の生理的な作用であり、自然界が着色されているわけではない。
『スペクトルの観測でわかること』
・スペクトルとは:天体からの光を、プリズムや回折格子などの分光器を通すことにより得られる、光の波長ごとの強度分布を、スペクトルという。
・恒星の表面温度を調べるには:温度を持つ物体は電磁波を放射している。たとえば恒星は可視光(電磁波)を放射しているが、そのスペクトルは恒星の表面温度により、分布に偏りがある。温度が高くなればスペクトルのピークは波長の短い方にずれる、すなわち青色の光を発する。温度が低くなればスペクトルは波長の長い方にずれる、すなわち赤色の光を発する。従って、恒星からの光のスペクトルを調べると表面温度が分かる。
『電波望遠鏡の性能とは』
・主鏡(パラボラ)の大きさ
感度は望遠鏡主鏡の面積に比例して良くなる。視力(分解能、解像度)は直径に比例し、波長に反比例する。視力=望遠鏡の直径÷電磁波の波長÷3000

検出器の大きさ
CCDは数多く配置して色など2次元化されたデータを得ることができるが、パラボラの焦点には1個の検出器しか置けないので、電波望遠鏡は明暗しか分からない。検出器を低温化するなどのノイズ源の徹底排除を行うことで、感度を向上させる。
『赤外線カメラ』
・赤外線カメラを使って、いろんなものを撮影して見ました。

授業の感想・メモ

  • 赤外線カメラで見た自分の姿、忘れません。
  • 実験も面白く、普段見ているのとは違うものを見ることができ、新鮮だった。物事はいろんな角度から見ることが大切だ。
  • 「色」はあまりに当たり前で、詳しく考えたことはなかったが、「自然物は着色されていない。色は脳が決めている」と聞いてびっくりしました。脳ってすごいですね。
  • 赤外線カメラの前で、携帯電話の赤外線通信をしたらどうなるかという実験をこっそりやっていたのですが、何も起こりませんでした。まぁ当然の結果なんですけどね。

第4回目/全6回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>

・光以外の電磁波でどのように宇宙を観測しているのかを学習する
・実際に電波望遠鏡を作成し、観測する

時間配分
学習内容
講義
『かぐやについて』
月探査衛星「かぐや」について
講義
『電波で見る宇宙』
電波望遠鏡えは何を見ているか→宇宙のガス(星になるかもしれない、7割は水素、残り3割がヘリウム)銀河の鍋→ガスがたくさん→星が生まれる
講義
『電波望遠鏡』
・国立天文台野辺山(45m)・グリーンバンク望遠鏡(90m)・アレシボ天文台(300m)
講義
『パラボラ・アンテナ』
・パラボラ:全ての電波が反射してひとつの場所(焦点)に集まる。その焦点で集まった電波の波長がぴったり合わさることで、電波は増幅され、微弱な電波を捕らえることができる。
・望遠鏡の性能
感度:微弱な電波でも集めることができる能力。
望遠鏡主鏡面積が大きいほど多くの電波を集められるので、面積に比例して良くなる。
視力(分解能、解像度):接近した電波源を区別する能力。
講義
『電波干渉計とVLBI』
・電波干渉計:解像度はパラボラの直径に比例する。複数のアンテナを離れて配置し、観測されたデータをあわせることで、大口径のアンテナと同じ効果を得る仕組み。
・VLBI(超長基線電波干渉計):電波干渉計を非常な長距離に配置し、観測データは磁気テープに記録して、後でコンピュータ処理を行い、観測結果を出す仕組み。原理的な最大値は地球の直径。しかし大きさには限界が(地球の直径まで)そこで電波観測衛星はるかを宇宙に打ち上げ、地上VLBI望遠鏡と連携すれば距離は無限大まで可能となる。
講義
『電波干渉計とVLBI』
・電波干渉計:解像度はパラボラの直径に比例する。複数のアンテナを離れて配置し、観測されたデータをあわせることで、大口径のアンテナと同じ効果を得る仕組み。
・VLBI(超長基線電波干渉計):電波干渉計を非常な長距離に配置し、観測データは磁気テープに記録して、後でコンピュータ処理を行い、観測結果を出す仕組み。原理的な最大値は地球の直径。しかし大きさには限界が(地球の直径まで)そこで電波観測衛星はるかを宇宙に打ち上げ、地上VLBI望遠鏡と連携すれば距離は無限大まで可能となる。
講義
『電波望遠鏡の製作』
・厚紙でできたパラボラの型紙に、スプレーのりでアルミホイルを貼る
・型紙を切り抜く
・アルミホイルが裏面になるように、必要な部分を折りパラボラアンテナを作成する
・取り付け台にパラボラアンテナとBSアンテナから取り出した受信部を取り付ける
・出来上がったパラボラアンテナに受信機(アンプ)と電圧計を接続すれば完成

授業の感想・メモ

  • 宇宙を調べるために莫大なお金をかけて研究することが、すごくロマンのあることだとわかった。自分も将来このようにひとつのことに集中して仕事ができるようになりたい。
  • 電波で銀河を見るという発想は画期的だと思う。目だけでなく他の視点から見ることで事実として認識できる奥深い分野だ。自分で作ったこの電波望遠鏡でどのように電波を観測するか、今から楽しみだ。
  • 夏の国内研修で、野辺山の国立天文台に行ったので、ある程度の基礎知識はあったが、実際にパラボラを作ってみて、数学的に作られていることを再認識した。

第5回目/全6回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>

・光以外の電磁波でどのように宇宙を観測しているかを学習する
・実際に電波望遠鏡を作成し、観測する

時間配分
学習内容
講義
『電波強度の測定を利用した物体の絶対温度計測の原理』
・温度をもつ全ての物体からは電磁波が放射されている(黒体幅射という)。黒体からの幅射の波長分布(スペクトル)を、いろんな温度で調べると、温度が高くなるほど一番強いピークが波長の短い方に移り、強度も強くなり、逆に温度が低くなると、ピークが波長の長いほうに移り、強度も弱くなることがわかっている。(放出されるエネルギーの量は温度の4乗に比例する:ステファンボルツマンの法則)。また各ピークの左側(波長の長い側)ではスペクトルは波長の2乗に逆比例して小さくなる(レーリージーンズの法則)
・グラフからわかるように、電波領域、たとえば今回の実験で使用するBSアンテナが受信できる波長(25mm)でスペクトルの変化を見ると、温度と電磁波の強度は比例することがわかる
・温度がすでに分かっている物体(少なくとも2つ)から出ている電波の強度を計測して1次関数を決定し、これに温度を測定したい物体からの電波強度を当てはめると、温度を求めることができる。
講義
『製作した電波望遠鏡の構造』
1.市販のBSアンテナから、受信部(アンテナ本体)だけを取り外す。
2.受信部と紙・アルミホイルで作ったパラボラを固定用の台に取り付ける。
3.受信した電波を増幅するための小型アンプを接続する。
4.アンプに電圧計を接続する。
講義
『測定実習』
電波の強度は電圧の大小で測定できる。
1.あらかじめ温度がわかっている、液体窒素、アブソーバ、人体の発する電波強度を測定し、グラフ化する。
2.太陽の電波、空からの電波強度を測定する。
3.グラフから、太陽、空(宇宙)の温度を推定する。
講義
『測定結果のまとめと考察』
生徒の考察
・空、太陽、液体窒素、人体など、温度を持っているものからは電波が出ている。
・空(宇宙)の温度は9k、太陽の温度は82kと推定される。
・グラフと縦軸の交点(切片)は絶対温度0kとならなければいけない。これは実験にしようしたアンプのノイズのため、電圧が0Vにならなかったためである。
・太陽の温度は実際は6000k程度である。測定結果が極端に外れた値になったのは、今回使用したパラボナアンテナの視力(分解能)が悪く、太陽だけの温度を測ることができず、太陽の周りの空(宇宙)の温度も含んで観測してしまったと推測される。

授業の感想・メモ

  • 私の作ったおんぼろパラボナアンテナで電波が計れるなんて感動しました。
  • パラボラアンテナを作って実際に観測した。観測結果もいい数値が出てよかった。人間から電波が出ているなんてうそみたいと思っていたが、実験を通して本当だったと実感した。
  • 誤差が大きくなり残念だった。屋上は風が強くアンテナがガタガタゆれて、電波を上手にキャッチできなかったと思う。
  • 人体や空や太陽の温度をアンテナで観測し、グラフ化した。ただ太陽だけはおかしいなぁと思っていたが、これはアンテナの視力のせいらしい。私たちの班は、正確な太陽の温度を求める方法をポスターセッションでまとめるつもりです。

第6回目/全6回>『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>

JAXAの講師による特別講義・実験を通して得られた科学的知見や実験結果及びその成果をものに、パワーポイントを用いたプレゼンテーションの方法やポスターセッションの仕方、及びその聞き方を学ぶ。実験していない分野の学習に努める。

時間配分
学習内容
『発表準備』
11/20~22の3日間でパワーポイントによるプレゼン資料作成と発表原稿の準備、リハーサルを行う。ポスターセッション班は掲示物を作成。ポスターの適切な提示方法を学ぶ。
『日程』
・概要・発表方法の説明及び諸注意
・発表準備
・校長先生の挨拶
・パワーポイントによる発表
・落下実験の映像紹介
・ポスターセッション
・JAXA先生方による講評とまとめ
『パワーポイントによる発表』
『ポスターセッションによる発表』
『発表方法と注意事項』

パワーポイントによる発表
・発表は7分、質疑は2分以内。あいさつをした後、発表テーマ、班員名を述べる。発表は公式の場であり、真剣に発表すること。また終了直前には、参考、引用した文献の紹介、実験・発表において世話になった方々への謝辞を述べ、礼をして終了する。
・発表終了後は、質疑を行う。今回は班ごとに予め質問感想班を決めておく。質問感想班は必ず1つ以上質問が出来るよう、発表時にしっかり聞いておくこと。また発表に対しての感想(ありがとうカード)も書いてもらう。
・発表班は質問に対して、科学的観点から論理的に答えること。

ポスターセッションの仕方
・各班は1回7分程度のポスターセッションを2回実施する。発表とともに質疑も行う。質問感想班はローテーションして行う。
・ポスターの前で全員が並び、聴衆に対して説明を行う。今回は班ごとに予め質問感想班を決めておく。質問感想班は必ず1つ以上質問が出来るよう、発表時にしっかり聞いておくこと。また発表全体の感想(ありがとうカード)も書いてもらう。
・本来のポスターセッションでは、ポスターの前で、実験に使用した用具を展示したり、また時には重要な内容に関して、理解しやすいよう簡単な実験を行うこともある。

その他
・今回は、パワーポイントを用いたプレゼンテーションの方法やポスターセッションの仕方を学ぶことが第一の目標であるが、各自いづれか一方の実験しか学習していないので、学習していない方の講義・実験の内容についてしっかり学習・理解すること。
・発表前の10分の準備時間に、発表内容の確認はもちろんのこと、予想される質問事項を考え、それに対する回答についても考えておくこと。
・講師先生の講評、他班の様子・質疑内容や発表の反省から、今後の科学実験における実験結果のまとめ方やパワーポイント・ポスターのより適切な提示方法を学ぶこと。

授業の感想・メモ

  • 失敗から学んだことを次の実験につなげていったのが、すごいと思いました(無重力)
  • パラボラと2次関数の関係がよくわかりました。測定結果と実際の太陽の温度がなぜ違うかという説明はとてもわかりやすかった(電波望遠鏡)

三重県・三重県立津西高等学校

授業連携実績一覧

このページのTOPへ