アイデア数理塾 京の算数学問題#1552
算数学コラム
中学2年生の理科「動物の行動のしくみ」では、刺激を受けてから体が反応するまでの時間について学習します。
その中でも定期テストで注意したいのが、反応時間を調べる実験問題です。
例えば、
「ものさしを落としてからつかむまでの時間を調べる」
「落ちた距離の平均を求める」
「グラフを使って反応時間を読み取る」
「複数人で手をにぎり、刺激が伝わる時間を調べる」
といった問題が出題されます。
この単元では、単純に理科の用語を覚えるだけではなく、実験方法や結果の読み取り、計算まで理解しておくことが大切です。
今回は、反応時間の実験問題を解くために必要な考え方を、順番に整理していきましょう。
反応時間とは？
反応時間とは、
刺激を受けてから体が反応するまでにかかる時間のことです。
例えば、目の前にボールが飛んできたとしましょう。
ボールを見てから手でつかむまでには、わずかですが時間がかかります。
これは、目で受けた情報が神経を通して脳へ伝わり、脳から出された命令が筋肉へ伝わる必要があるためです。
つまり、
刺激を受ける → 情報が伝わる → 判断する → 命令が伝わる → 体が動く
という流れに時間がかかっています。
この時間を調べるのが、今回の実験です。
ものさしを使って反応時間を調べる実験
中2理科でよく扱われるのが、ものさしを使った反応時間の実験です。
実験の方法を確認しておきましょう。
実験の方法
2人1組になり、ものさしを使って実験します。
① ものさしを持つ
Aさんが、ものさしの上端を持ちます。
② 指を準備する
Bさんは、ものさしの0の目盛りのところに指をそえておきます。
③ ものさしを落とす
Aさんが、予告せずにものさしを離します。
④ ものさしをつかむ
Bさんは、ものさしが落ち始めたのを見て、できるだけ早くつかみます。
⑤ 落ちた距離を調べる
ものさしをつかんだ位置の目盛りを読み取り、落ちた距離を記録します。
これを何回か繰り返して、結果を表にまとめます。
なぜ、ものさしが落ちた距離で反応時間がわかるの？
この実験で重要なのは、ものさしが落ち始めてからつかむまでの間、ものさしが落下し続けることです。
例えば、
Aさんは10cm落ちたところでつかんだ。
Bさんは25cm落ちたところでつかんだ。
という場合を考えてみましょう。
| 人 | ものさしが落ちた距離 |
|---|---|
| Aさん | 10cm |
| Bさん | 25cm |
この場合、同じ条件であれば、Aさんの方が反応時間は短いと考えられます。
なぜなら、落ちた距離が短いほど、ものさしが落ち始めてからつかむまでの時間が短いからです。
反対に、ものさしが長い距離を落ちている場合は、それだけつかむまでに時間がかかっています。
テストで覚えるポイント
落下距離と反応時間の関係
落ちた距離が短い
→ 反応時間が短い
落ちた距離が長い
→ 反応時間が長い
ただし、落ちた距離が2倍になったからといって、反応時間も必ず2倍になるわけではありません。
落下距離と反応時間の関係は、グラフを使って確認する必要があります。
実験結果の平均を求めよう
この実験では、ものさしを1回落として終わりではありません。
何回か繰り返して測定し、平均を求めることがあります。
これは、測定ごとのばらつきの影響を小さくするためです。
例えば、次のような結果になったとしましょう。
| 回数 | 落ちた距離 |
|---|---|
| 1回目 | 14cm |
| 2回目 | 18cm |
| 3回目 | 15cm |
| 4回目 | 17cm |
| 5回目 | 16cm |
このときの平均は、
(14+18+15+17+16)÷5=16となります。
つまり、平均の落下距離は16cmです。
この計算自体は難しくありませんが、理科の実験問題では、結果を正しく読み取ったうえで計算できるかが重要になります。
グラフを使って反応時間を求めよう
ここからが定期テストで特に重要な部分です。
ものさしが落ちた距離の平均が求められたら、グラフを使って反応時間を調べます。
今回の例では、平均の落下距離＝16cmでした。
落下距離と時間の関係を表したグラフから、16cmに対応する時間を上記画像の右上のグラフより読み取ります。
地上付近で空気抵抗を無視できる場合、およそ0.18秒となります。
つまり、この実験で求めた反応時間は、約0.18秒です。
ここで大切なのは、グラフの読み取り方です。
グラフを読む手順
反応時間の求め方
- ものさしが落ちた距離の平均を求める。
- グラフの横軸から、その距離を探す。
- グラフの曲線と交わるところまでたどる。
- 縦軸から、対応する時間を読み取る。
あくまで補足ですが、、、
落下距離をh m、反応時間をt秒とすると、空気抵抗を無視した自由落下では、
という式から、およその時間を計算することもできます。
ただし、中学2年生の実験問題ではグラフから時間を読み取る方法が中心です。
この解き方は高校物理の解き方なのであくまで高校にいけば計算式でも解けると頭の片隅に置いておくにとどめてください。
ものさしをつかむまでの信号の流れ
反応時間の実験では、計算問題だけでなく、刺激が伝わる経路も問われます。
ものさしが落ち始めたのを見て、手でつかむ場合を考えましょう。
まず、目でものさしが落ち始めたことを確認します。
その情報が感覚神経を通って脳へ伝わります。
脳では「ものさしをつかもう」という命令が出されます。
その命令が運動神経を通って手の筋肉へ伝わり、指が動いてものさしをつかみます。
刺激から反応までの経路
目（感覚器官）ものさしが落ちるのを見る
感覚神経（脳）ものさしをつかむ命令を出す
運動神経手の筋肉（運動器官）指が動き、ものさしをつかむ
この順番は、前回の「中枢神経と末しょう神経」「反射とは？」の内容ともつながっています。
理科は、単元を別々に暗記するのではなく、しくみとしてつなげて理解すると問題が解きやすくなります。
手をにぎって反応時間を調べる実験
次に、複数人で手をにぎり、刺激に対する反応を調べる実験を考えましょう。
実験の方法
10人が輪になって、隣の人と手をつなぎます。
最初の人がストップウォッチをスタートすると同時に、隣の人の手をにぎります。
手をにぎられた人は、次の人の手をにぎります。
これを順番に繰り返していきます。
最後の人が手をにぎられたところで、ストップウォッチを止めます。
この実験では、刺激を受けてから次の人の手をにぎるまでの時間を調べることができます。
手をにぎる実験の計算問題
ここでは、計算の考え方を整理しましょう。
例えば、10人が輪になって手をにぎる実験で、9回の伝達に2.7秒かかったとします。
このとき、1回分に相当する平均時間は、2.7÷9=0.30秒となります。
重要なのは、10人だからといって10で割らないことです。
最初の人から10人目まで順番に刺激が伝わる場合、人と人の間で信号が伝わる回数は9回です。
計算のポイント
10人に順番に伝える
→ 伝達する回数は9回
9回の伝達に2.7秒
→ 1回分の平均時間は0.30秒
このように、人数だけで判断するのではなく、実際に何回信号が伝わったのかを確認しましょう。
なお、ここで求めているのは1回の伝達に相当する平均時間の目安です。
各人の反応時間が全員同じだとわかるわけではありません。
定期テストでよくある間違い
反応時間の実験問題では、次のようなミスに注意してください。
①落ちた距離が長いほど反応が速いと思ってしまう
反対です。
ものさしが長い距離を落ちた場合、それだけつかむまでに時間がかかっています。
短い距離でつかめた人の方が反応時間は短くなります。
②平均を求めずにグラフを読んでしまう
問題文で平均の落下距離を求めるよう指示されている場合は、先に平均を計算します。
そのあとで、グラフから時間を読み取ります。
③グラフの横軸と縦軸を逆にする
今回の教材のグラフでは、
- 横軸：ものさしが落ちた距離
- 縦軸：ものさしが落ちるのにかかった時間
となっています。
問題ごとに軸の名前と単位を確認しましょう。
④手をにぎる実験で人数のまま割ってしまう
10人が順番に刺激を伝える場合、最初の人から最後の人までは9回の伝達です。
何人いるのかだけでなく、信号が何回伝わったのかを数えることが重要です。
⑤ものさしをつかむ反応を「反射」と答えてしまう
ものさしが落ちるのを見て、脳で判断してからつかむ反応は、今回の学習では意識して起こす反応に分類されます。
前回の「反射」の内容と混同しないようにしましょう。
テスト前に最低限ここだけは確認しよう
重要ポイントまとめ
反応時間とは？
刺激を受けてから体が反応するまでにかかる時間。
ものさしを落とす実験
落ちた距離が短いほど、反応時間が短い。
平均の求め方
測定値の合計÷測定回数
グラフの読み取り
落下距離から、対応する時間を読み取る。
信号の経路
目 → 感覚神経 → 脳 → 運動神経 → 手の筋肉
手をにぎる実験
10人が順番に刺激を伝える場合、伝達回数は9回。
確認問題
今回学習した内容を確認してみましょう。
問1
刺激を受けてから体が反応するまでにかかる時間を何といいますか。
問2
ものさしを落とす実験で、落ちた距離が短い人と長い人では、どちらの反応時間が短いですか。
問3
5回の落下距離が14cm、18cm、15cm、17cm、16cmだったとき、平均の落下距離は何cmですか。
問4
ものさしが落ちるのを見てつかむ反応は、反射と意識して起こす反応のどちらですか。
問5
目で受けた情報を脳へ伝える神経を何といいますか。
問6
脳からの命令を手の筋肉へ伝える神経を何といいますか。
問7
10人が順番に手をにぎって刺激を伝える場合、最初の人から最後の人まで何回の伝達が起こりますか。
確認問題の答え
| 問題 | 解答 |
|---|---|
| 問1 | 反応時間 |
| 問2 | 落ちた距離が短い人 |
| 問3 | 16cm |
| 問4 | 意識して起こす反応 |
| 問5 | 感覚神経 |
| 問6 | 運動神経 |
| 問7 | 9回 |
中2理科「反応時間の実験問題」一問一答PDF
今回学習した内容を、定期テスト対策用の一問一答PDFにまとめています。
ものさしを落とす実験、平均の求め方、反応時間の読み取り、刺激が伝わる経路、手をにぎる実験まで確認できます。
学校のワークを解く前や、定期テスト直前の復習に活用してください。
▶ 定期テスト直前対策用 中2理科「反応時間の実験問題」一問一答PDFを無料でダウンロード
まとめ｜実験の手順・計算・信号の流れをセットで覚えよう
今回は、反応時間の実験問題について整理しました。
反応時間の実験では、単純に結果を覚えるだけではなく、
実験の手順
測定結果の平均
グラフの読み取り
刺激が伝わる経路
まで理解しておくことが大切です。
特にものさしを落とす実験では、落下距離が短いほど反応時間が短いという関係を押さえておきましょう。
また、複数人で手をにぎる実験では、人数と刺激が伝わる回数を混同しないように注意してください。
理科の実験問題は、手順や結果の意味を理解できると、問題文が少し変わっても対応しやすくなります。
一問一答で基本事項を確認したあと、学校のワークにある実験問題にも挑戦してみましょう。
京の算数学 解答#1552
