2015年度(平成27年度) 理数科 課題研究
    研究生徒 理数科239名(男子27名、女子12名)    
    研究班数  8    
               
 <研究テーマと内容>概要  
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 物理班 紙飛行機の飛距離に影響を与えるのは

 紙飛行機をより遠くまでばすためにはどうれいか。この問題に取組むため、
我々は飛距離の長い紙飛行機を対象としてその飛距離に影響を及ぼすと考えられるいくつもの条件の中から速度と紙飛行機の質量に着目し、それらと飛距離の関係について研究をおこなった。
 その結果、速度は飛距離に影響を与えず、飛距離を伸ばす最適な質量があることを発見した。
物理班 光ファイバーを照明に利用する試み

 光ファイバーを照明に利用する上で、効率の良い利用法を見つけるために、光ファイバーの特性を調べた。その過程で、光ファイバーの断面だけでなく側面からもかなり光がもれていることに気が付き、この光も照明に利用できるのではないかと考えた。そこで側面から出る光に着目して光ファイバーの特性を調べる実験をした。光ファイバーの長さや太さ、使用環境、光の入射角および光の波長などを変えて光ファイバーの側面から出る光の光量を調べた。
 その結果、液体につけたときは、最大で2割もの光が漏れ、光ファイバーを曲げることによりその光量はさらに増加することが分かった。この結果は、光ファイバーに入る光量を大きくし、さらに変形させることで、側面から漏れる光を夜間用の表示・標識に活用できる可能性があることを示唆している。

化学班 シャボン玉の持続時間に関する研究

 私たちはシャボン玉の持続時間について興味を持ち、どうすれば割れずに長く持続させることができるのかについて研究した。
 シャボン液にPVAを混ぜると持続時間が長くなることを知り、これはPVAの官能基であるヒドロキシ基(−OH基)の持つ電荷が極性を持つ水分子を引きつけるため、膜の水分の蒸発に深く関係しているのではないかと考え、その影響を価数の異なるいくつかのアルコールを用いて実験した。方法は、シャボン液にアルコールを混ぜた溶液を用い、持続時間を測定しその平均値をとった。
 その結果、アルコールを入れると持続時間は長くなったが、3価アルコールのグリセリンより2価アルコールのエチレングリコールの方が長いということを発見した。


化学班 錆のメカニズムと電子の授受に基づいた防錆

 この実験では、鉄の酸化メカニズムの解明とともに、それに基づいた防錆方法の追究を行った。実験対象を絞り込む過程で、興味深い反応を示した塩基性水溶液、酢酸塩の水溶液、塩化物の水溶液の3つについて、その原理を追究した。
 防錆に関しては酸化数に着目して式を立て、その式から発生する物質に見当をつけて試薬を使い、錆の進行速度の可視化を試みた。また、酸化には酸素が不可欠なので、酸素の消費量に注目して調べることの2通り行った。
 上記の2つの実験から、金属が酸化する時は同時に電子がやりとりされているはずだと考えた。それを逆に利用し、電子の動きを人工的に制御できれば酸化が抑えられるのではないかという仮説に至った。これは実験により証明できたため、電子のやり取りを制御することで、錆は抑えられるという結論にたどり着いた。
 また、そこから電子の授受のバランスに着目し、金属イオンが元の単体に戻される反応があるのではないかと考察を進めた。
生物班 PCR法によるミミズの腸内細菌と土壌細菌の16SrRNA遺伝子の比較

 ミミズの腸内細菌の群集と土壌細菌の群集が同じものかどうかを調べるために、細菌の16SrRNA遺伝子を比較する実験をおこなった。
ミミズの糞・腸内容物及び土壌をサンプルとして16SrRNA遺伝子をPCRで増幅後、制限酵素処理をして電気泳動を行い、この泳動パターンを比較した。その結果、土壌間、ミミズ個体間、土壌とミミズ間で比較した所いずれも泳動パターンに違いがみられた。
 以上のことから@ミミズ腸内細菌の群集は個体間で異なる。A土壌細菌の群集は土壌間で異なる。Bミミズ腸内細菌と土壌細菌は異なる群集である、と結論付けた。土壌形成に大きな役割を果たすミミズの腸内細菌と土壌細菌は同じ群集であるという予想と異なる結果が得られたのは意外であった。

生物班 ケナフを使ってCO2濃度を減少させよう

 教室内において集中力やパフォーマンス低下の原因となるCO2の濃度を減少させるために、植物の光合成が有効であるか否かを検証するために、アオイ科の植物である「ケナフ」を教室内に置きCO2濃度を測定した。
 その結果、ケナフ有の教室はケナフ無の教室に比べCO2濃度が下回った日が見られたが、逆に上回った日もあり、今回の研究ではCO2濃度の減少に植物の光合成は有効であるとは結論づけることはできなかった。
 しかし、ケナフを適切な時期に植え、より成長した個体を使うことで効果がみられると考えられる。

数学班 曜日計算―はじめからていねいに―

 曜日計算にはツェラーの公式を利用できるが、その公式の複雑さに疑問を抱き、私たちの力で一から曜日計算の方法を考えた。
 曜日の“ずれ”に着目した計算により、年月日を代入すると曜日が求められる式が完成した。
「はじめからていねいに」をモットーに誰にでも理解できるような曜日計算の方法を確立した。
数学班 四×四マスオセロの必勝法の考察

 二人零和有限確定完全情報ゲームである四×四マスオセロは、後手必勝であることが証明されている。だが、プレイヤーが人間である場合は、ミスや戦略から次善手以下の手を打つことで、後手番でも負ける場合がある。
 そこで、我々は四×四マスオセロのパターンを詳細に調べ、どのような手を打てば「必勝」になるのかを探し出し、先着すべき“急所”と呼べる場所を見つけ出した。その結果、先手でもその“急所”を抑えることにより、かなり高い勝率を上げられるということが分かった。
 この研究で、我々がどのようにして“急所”のマスの存在を解明し、必勝法を求めたのかを解説する。