Arduinoで理科の実験：センサーでデータを集めて表とグラフに

Arduinoで理科の実験を行う手順は6つです。まず生徒が測定できる問いと仮説を書き、適切なセンサーをArduinoにつなぎます。ボードは測定値を1つずつタイムスタンプ付きで「zaman_ms,deger」（ミリ秒単位の時間、値）の形でシリアルポートに出力し、曲線をシリアルプロッタでリアルタイムに観察します。シリアルモニタの行をCSVファイルとして表計算ソフトにコピーし、表からグラフを描き、グラフと仮説を比べて結論を書きます。温度計とストップウォッチを使う手作業の測定と違い、Arduinoは10分間に60点を等間隔で、疲れることも読み間違えることもなく集めます。そのため生徒は数値を書き写す代わりに、データの解釈に集中できます。

この記事では、理科・物理・生物の授業に合う、すぐに使える3つの実験を紹介します。DS18B20で測るお湯の冷却曲線、LDRで調べる光の強さと距離の関係、HC-SR04で測る斜面上の運動（おまけとして音速の測定）です。どの実験にも、問い、変数、材料、配線の概要、そのままコンパイルできるコード、データ表のテンプレート、予想される結果をそろえました。続いて、シリアルプロッタの使い方と表計算ソフトへのデータの取り込み手順、測定誤差とキャリブレーションの表、2 × 40分の授業の流れ、短い実験レポートのテンプレート、安全上の注意をまとめています。例は次の前提で組み立てました。24人のクラスで、生徒は4人ずつ6グループに分かれ、各グループにArduino Uno 1台とパソコン1台があるとします。各センサーの配線の詳細はここでは扱わず、必要な箇所でそれぞれのセンサーのガイドにリンクしています。

Arduinoで理科の実験を6ステップで：問いから結論まで

1. 問いと仮説：測定できる問いを選び（「お湯が冷めるのは最初の5分と次の5分のどちらが速い？」）、仮説を「もし…なら…になる。なぜなら…」の形で生徒に書かせます。仮説には向きか数値を入れます。「変化する」だけでは不十分です。
2. 変数：独立変数（変えるもの：時間、距離、傾き）、従属変数（センサーが測るもの：温度、光、位置）、制御変数（そろえる条件：水の量、同じ懐中電灯、同じ板）を生徒に表へ書かせます。実験がうまくいかないとき、原因はたいてい一定に保たれなかった変数です。
3. センサーとコード：センサーをつなぎ、コードを書き込みます。コードは各行を「zaman_ms,deger」の形で出力し、1行目は列の名前を示すヘッダー行です。時間はボード自身のmillis()カウンターで計るので、ストップウォッチは要りません。
4. リアルタイム観察：本番の記録の前に、短い試運転をシリアルプロッタで観察します。曲線が思いがけず跳ねる場合（配線のゆるみ、影、手の接触）は、その場で直します。測定が終わってから気づいたのでは遅すぎます。
5. データと表：シリアルモニタの行をコピーして.csvファイルとして保存し、表計算ソフトに取り込み、単位の換算（ms → s）と計算用の列を加えます。
6. グラフと結論：XY（散布図）グラフを描き、両方の軸に名前と単位を書き、グラフを仮説と比べて、データに基づいた文で結論を書きます。「仮説は支持された（または支持されなかった）。なぜなら…」。

材料リストと配線の概要

実験1：お湯の冷却曲線（DS18B20）

問い：お湯は毎分同じだけ冷めるのでしょうか、それとも冷め方はだんだん遅くなるのでしょうか？仮説の例：「水と室温の温度差が大きいうちは速く冷め、差が小さくなるにつれて遅くなる。」独立変数は時間、従属変数は水温です。制御変数は水の量（200 mL）、容器の種類、机の上の置き場所、室温です。グループに2つ目の問いを出すこともできます。ふた付きとふたなしのマグカップ、あるいはガラスのコップと紙コップで違いはあるでしょうか？その場合は容器が独立変数になり、2つのグループが同時に測定して曲線を比べます。配線とライブラリのインストールはDS18B20のガイドを参照してください。DHT11しかない場合は、絶対に水に入れないでください。DHT11でできる安全な代わりの実験は、センサーを1分間手のひらで温めてから机に置き、空気中で冷めていく様子を測ることです（DHT11ガイド）。

1// Deney 1: Sıcak suyun soğuma eğrisi / Experiment 1: cooling curve of hot water
2// Kütüphaneler: OneWire + DallasTemperature / Libraries: OneWire + DallasTemperature
3#include <OneWire.h>
4#include <DallasTemperature.h>
5
6const int ONE_WIRE_PIN = 2;                // DS18B20 veri (DQ) pini / data (DQ) pin
7const unsigned long INTERVAL_MS = 10000;   // 10 saniyede bir ölçüm / one reading every 10 s
8const bool PLOTTER_MODE = false;           // true: Serial Plotter için yalnız değer / value only for Serial Plotter
9
10OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN);
11DallasTemperature sensors(&oneWire);
12unsigned long startMs = 0;
13unsigned long lastMs = 0;
14
15void setup() {
16  Serial.begin(9600);
17  sensors.begin();
18  if (!PLOTTER_MODE) {
19    Serial.println("zaman_ms,sicaklik_C");  // CSV başlık satırı / CSV header line
20  }
21  startMs = millis();
22  lastMs = startMs - INTERVAL_MS;           // ilk ölçüm hemen / first reading right away
23}
24
25void loop() {
26  unsigned long now = millis();
27  if (now - lastMs < INTERVAL_MS) {
28    return;                                 // daha zamanı gelmedi / not time yet
29  }
30  lastMs += INTERVAL_MS;                    // kaymayan zamanlama / drift-free timing
31
32  sensors.requestTemperatures();            // ölçümü başlat (~750 ms) / start conversion (~750 ms)
33  float tempC = sensors.getTempCByIndex(0);
34  if (tempC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {     // sensör yanıt vermedi / sensor did not respond
35    return;
36  }
37
38  if (PLOTTER_MODE) {
39    Serial.print("sicaklik_C:");
40    Serial.println(tempC, 2);
41  } else {
42    Serial.print(now - startMs);            // deney başından beri ms / ms since start
43    Serial.print(",");
44    Serial.println(tempC, 2);
45  }
46}

コードは10秒ごとに1行を出力するので、20分の測定で120行になります。時間はボードのmillis()カウンターから取り、lastMsに毎回ちょうど10,000を足しているため、測定の間隔がずれていきません。この手法は「millis()とdelay()の違い」の記事で詳しく説明しています。コードの先頭にあるPLOTTER_MODEをtrueにすると時間の列が消え、シリアルプロッタは温度だけを描きます。上のテンプレートはレポートに載せる要約の表で、全データはCSVファイルに残ります。室温は実験の初めに同じセンサーで空気中の温度を測って書いておきます。予想される結果：曲線は直線ではなく、だんだん平らになっていく曲線です。最初の数分は温度が速く下がり、その後は下がり方がゆるやかになります。これはニュートンの冷却の法則によるもので、冷める速さは物体と周囲の温度差に比例します。最後の列を計算した生徒は、等しい時間ごとに温度差がほぼ同じ割合で小さくなることに気づきます。たとえば最初の8分で差が半分になったなら、次の8分でもまた半分になります。ふた付きのマグカップは、蒸発で失われる熱が少ないため、ゆっくり冷めます。生物の授業では、同じ実験を小さな容器と大きな容器で繰り返し、小さな動物ほど熱を速く失うのはなぜかという話し合いにつなげられます。

実験2：光の強さと距離（LDR）

問い：光源から離れるにつれて、光の強さはどのように弱くなるのでしょうか？距離が2倍になると、光は半分になるのでしょうか、それとも4分の1になるのでしょうか？仮説の例：「距離が2倍になると、光の強さは4分の1になる。」独立変数は懐中電灯からLDRまでの距離（10、15、20、30、40、50 cm）、従属変数はA0から読み取った値です。制御変数は同じ懐中電灯、同じ電池、懐中電灯をLDRに正面から向けること、周囲の明るさです。実験はブラインドを閉め、できれば教室の照明を暗くして行います。周囲の光が強いと、遠い距離では懐中電灯による光の分が埋もれてしまいます。この配線では光が強くなるほど読み取り値が大きくなります。分圧回路のしくみはLDRのガイドにあります。懐中電灯をメジャーに沿って動かし、各距離で値が落ち着くまで5秒待ち、シリアルモニタに出た連続する3つの値を表に書きます。初めに懐中電灯を消した状態で1回測っておきます。これが部屋の背景値です。いちばん遠い距離の値が背景値にとても近い場合は、その距離をグラフから外します。

1// Deney 2: Işık şiddeti ve mesafe / Experiment 2: light intensity and distance
2// Bağlantı: 5V - LDR - A0 - 10 kΩ - GND / Wiring: 5V - LDR - A0 - 10 kΩ - GND
3const int LDR_PIN = A0;                    // bölücünün orta noktası / divider midpoint
4const unsigned long INTERVAL_MS = 500;     // yarım saniyede bir satır / one line every 0.5 s
5const int SAMPLES = 16;                    // ortalama için örnek sayısı / samples per average
6const bool PLOTTER_MODE = false;           // true: Serial Plotter için yalnız değer / value only for Serial Plotter
7
8unsigned long startMs = 0;
9unsigned long lastMs = 0;
10
11int readAverage() {
12  long sum = 0;
13  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
14    sum += analogRead(LDR_PIN);             // 0 (karanlık) ... 1023 (aydınlık) / dark ... bright
15    delay(2);
16  }
17  return (int)(sum / SAMPLES);              // gürültüyü azaltır / reduces noise
18}
19
20void setup() {
21  Serial.begin(9600);
22  if (!PLOTTER_MODE) {
23    Serial.println("zaman_ms,ldr_ham");     // CSV başlık satırı / CSV header line
24  }
25  startMs = millis();
26  lastMs = startMs - INTERVAL_MS;           // ilk ölçüm hemen / first reading right away
27}
28
29void loop() {
30  unsigned long now = millis();
31  if (now - lastMs < INTERVAL_MS) {
32    return;
33  }
34  lastMs += INTERVAL_MS;
35
36  int raw = readAverage();
37  if (PLOTTER_MODE) {
38    Serial.print("ldr_ham:");
39    Serial.println(raw);
40  } else {
41    Serial.print(now - startMs);            // deney başından beri ms / ms since start
42    Serial.print(",");
43    Serial.println(raw);
44  }
45}

コードは0.5秒ごとに16回の測定の平均を出力します。これで、1回ごとのanalogReadの値の小さなばらつきがならされます。LDRの抵抗を計算するには、生の値の平均がF列にあるなら、G列に=10000*(1023-F3)/F3と入力して下へコピーします（10 kΩの固定抵抗と、5VにつないだLDRの場合）。予想される結果：距離が大きくなるほど読み取り値は下がり、近くでは速く、遠くではゆっくり下がります。ただし、10 cmから20 cmになっても生の値は4分の1にはなりません。生の数値は光の強さではなく、分圧された電圧を表すものだからです。逆二乗の法則を確かめるには、距離とLDRの抵抗を両対数グラフにプロットします。点はほぼ一直線に並びます。光の強さは距離の2乗に反比例し、LDRの抵抗は光の強さのおよそγ乗に反比例します。そのため直線の傾きは2ではなく2 × γになります。一般的なLDRではγはたいてい0.5〜0.9なので、傾きは1〜1.8くらいになると予想されます。高校物理では、「測定器そのものの性質は結果にどう影響するのか？」という問いを考えるよいきっかけになります。

実験3：斜面上の運動と音速（HC-SR04）

問い：斜面で手を離した車は一定の速さで下るのでしょうか、それともどんどん速くなるのでしょうか？傾きを大きくすると、加速の仕方はどう変わるのでしょうか？仮説の例：「車は等しい時間ごとに進む距離がだんだん長くなるので、速くなっていく。傾きが急なほど速く加速する。」独立変数は時間（2回目の測定では傾き：本1冊、2冊、3冊）、従属変数はセンサーから車までの距離です。制御変数は車、手を離す位置、板です。準備：1〜1.5 mの平らな板の片方の端を本で持ち上げ、低い側の端にHC-SR04を板の上方へ向けて置きます。おもちゃの車の後ろに10 × 10 cmの厚紙を貼ります。センサーは小さくて丸い物体からは安定した反響を得られませんが、平らな厚紙なら強い反響が返ってきます。車をセンサーから約100 cmの位置で持ってから手を離し、車がセンサーにぶつからないよう、センサーの前に本を置きます。センサーのしくみと測定範囲はHC-SR04のガイドで説明しています。

1// Deney 3: Eğik düzlemde hareket ve ses hızı / Experiment 3: motion on a ramp and speed of sound
2const int TRIG_PIN = 9;                    // tetik / trigger
3const int ECHO_PIN = 10;                   // yankı / echo
4const unsigned long INTERVAL_MS = 60;      // ölçümler arası en az ~60 ms / at least ~60 ms between pings
5const bool PLOTTER_MODE = false;           // true: Serial Plotter için yalnız değer / value only for Serial Plotter
6const bool RAW_ECHO_US = false;            // true: ses hızı deneyi için yankı süresi (µs) / echo time for speed of sound
7
8unsigned long startMs = 0;
9unsigned long lastMs = 0;
10
11void setup() {
12  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
13  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
14  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
15  Serial.begin(9600);
16  if (!PLOTTER_MODE) {
17    Serial.println(RAW_ECHO_US ? "zaman_ms,yanki_us" : "zaman_ms,mesafe_cm");  // CSV başlığı / CSV header
18  }
19  startMs = millis();
20  lastMs = startMs - INTERVAL_MS;           // ilk ölçüm hemen / first reading right away
21}
22
23void loop() {
24  unsigned long now = millis();
25  if (now - lastMs < INTERVAL_MS) {
26    return;
27  }
28  lastMs += INTERVAL_MS;
29
30  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
31  delayMicroseconds(2);
32  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);             // 10 µs tetik darbesi / 10 µs trigger pulse
33  delayMicroseconds(10);
34  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
35
36  unsigned long echoUs = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 25000UL);  // en fazla 25 ms (~4 m) / max 25 ms (~4 m)
37  if (echoUs == 0) {                        // yankı yok, satırı atla / no echo, skip the line
38    return;
39  }
40  float distanceCm = echoUs * 0.0343 / 2.0; // 343 m/s, gidiş-dönüş / round trip
41
42  if (PLOTTER_MODE) {
43    Serial.print("mesafe_cm:");
44    Serial.println(distanceCm, 1);
45  } else {
46    Serial.print(now - startMs);            // deney başından beri ms / ms since start
47    Serial.print(",");
48    if (RAW_ECHO_US) {
49      Serial.println(echoUs);
50    } else {
51      Serial.println(distanceCm, 1);
52    }
53  }
54}

コードは60 msごと、つまり1秒間に約16行を出力します。HC-SR04の反響が混ざらないよう、測定の間にはこのくらいの間隔をあけることが推奨されています。反響が戻らない場合（物体が測定範囲の外にある、または斜めを向いている）、その行は飛ばされます。速さは連続する2行からではなく、5行離れた行から計算します。60 msの間隔では、1〜2 mmの測定のばらつきでも速さが大きく揺れるためです。予想される結果：位置-時間グラフは直線ではなく、だんだん傾きが急になる曲線（放物線）になり、速さ-時間グラフはほぼ直線になります。つまり車は一定の加速度で速くなり、その直線の傾きが加速度を表します。摩擦のない斜面なら加速度はg × sin θになります。1.5 mの板を10 cm持ち上げるとsin θ ≈ 0.067なので、およそ65 cm/s²です。測定値がこれより小さくなるのは摩擦と車輪の回転のためで、誤差の原因としてレポートに書きます。音速を測るバリエーション：RAW_ECHO_USをtrueにし、センサーの正面20、40、60、80、100 cmの位置に平らな厚紙を置き、各距離で反響時間の平均を取ります。横軸に往復の距離（2 × d）、縦軸に時間をとったグラフでは、傾きが1/vになります。vは室温で約340 m/sになり、温度が上がると大きくなります（およそv ≈ 331 + 0.6 × T m/s）。傾きを使う方法なら、センサー内部の一定の遅れも自動的に取り除かれます。

シリアルプロッタと表計算ソフトへのデータの取り込み

1. コードを書き込んだら「ツール」>「シリアルモニタ」を開き、速度をコードと同じ9600ボーにします。タイムスタンプのボタンはオフにしておきます。オンだと各行の先頭にパソコンの時刻が付き、CSVが崩れます。
2. 測定を始める前に出力をクリアし、ボードのRESETボタンを押します。これで時間が0から始まり、1行目はzaman_ms,sicaklik_Cのようなヘッダー行になります（sicaklikはトルコ語で「温度」）。
3. リアルタイムのグラフを見るには、コードのPLOTTER_MODEをtrueにして書き込み直し、「ツール」>「シリアルプロッタ」を開きます。シリアルプロッタはデータを表示するだけで保存はしません。試運転で使い、本番の記録ではPLOTTER_MODEをfalseに戻します。
4. 測定が終わったら、シリアルモニタの行をヘッダー行から最後の行までマウスで選択し、Ctrl+C（macOSではCmd+C）でコピーします。テキストエディターに貼り付け、group2-cooling-1104.csvのようにグループ、実験、日付を含む名前で保存します。
5. 表計算ソフトにファイルを取り込みます。Excelでは「データ」>「テキストまたはCSVから」、Googleスプレッドシートでは「ファイル」>「インポート」を使い、LibreOffice Calcではそのままファイルを開きます。区切り文字にはコンマを選びます。
6. 小数点の記号に注意してください。Arduinoは23.50のようにドットで数値を書きますが、ヨーロッパの多くの地域設定の表計算ソフトはコンマを想定しています（日本語の設定ではドットなので通常は問題ありません）。必要なら取り込み時に地域を「英語（米国）」にするか、ドットをコンマに置き換えます。そうしないと23.50が文字列や日付として読み込まれ、グラフが空になります。
7. 計算用の列（ms → s、差、割合、速さ）を加え、グラフはXY散布図で描きます。折れ線グラフは横軸を等間隔のカテゴリーとして扱うため、飛ばされた行があると時間軸がゆがみます。

よい実験グラフには4つの要素があります。横軸に独立変数、縦軸に従属変数、両方の軸に名前と単位（「時間（s）」「温度（°C）」）、そして何を表すかを示すタイトル（「ふたなしのマグカップに入れた200 mLの水の冷却」）です。同じグラフに2つの条件（ふた付きとふたなし、本1冊と3冊）を違う色で示すと、ひと目で比較できます。生徒がグラフを見る前に、「仮説が正しければ、グラフはどんな形になるはず？」という問いに紙の上のラフスケッチで答えさせます。実際のグラフをスケッチと並べるのが、結論を書くいちばん簡単な方法です。結論は必ず数値に基づかせます。「水は最初の5分で…°C、次の5分で…°C冷めた。」シリアルプロッタで目盛りを固定したり線にラベルを付けたりする方法はシリアルモニタのガイドで説明しています。長い測定を手でコピーしたくない場合は、Pythonでデータを直接ファイルに書き出すこともできます。パソコンなしで測定するならSDカードモジュールにCSVを記録します。

測定誤差とキャリブレーション

授業の流れ：2 × 40分

以下の流れは3つの実験のどれにも使えます。初めての授業では、全グループに実験1を割り当てるのがおすすめです。準備がいちばん簡単で、測定が自動で進んでいる間にグループは表の準備ができます。クラスが慣れてきたら、6グループを2グループずつ3つのステーションに分けられます。同じ実験を2グループが行うと、結果を互いに比べることもできます。授業前にボードへコードを書き込んでおくと、1コマ目の8〜10分を節約できます。大人数のクラスでの役割カードとステーションの配置は「大人数のクラスでArduinoを教える」の記事を、材料と机の配置は「学校にArduinoラボをつくる」のガイドを参照してください。

• 独立変数と従属変数は何でしたか？どの変数を一定に保ちましたか？
• グラフのどの部分で変化がいちばん速いですか？それはグラフのどこからわかりますか？
• 仮説は支持されましたか？どの2つの数値をもとにそう言えますか？
• 10秒ごとではなく60秒ごとに測っていたら、グラフはどう変わったでしょうか？
• いちばん大きな誤差の原因は何でしたか？もう一度実験するとしたら、何を変えますか？

評価：短い実験レポートのテンプレート

• タイトルと問い：実験の名前、グループのメンバー、日付、1文で書いた実験の問い。
• 仮説：「もし…なら…になる。なぜなら…」の形で、測定前に書いたとおりのもの。あとから直しません。
• 変数：独立変数、従属変数、少なくとも2つの制御変数。
• 材料と方法：センサー、配線の概要、測定間隔、繰り返しの回数。ほかのグループが同じ実験を再現できるくらい明確に、6ステップ以内で。
• データ：テンプレートのような要約の表と、CSVファイルの名前。
• グラフ：軸の名前、単位、タイトルの入ったXYグラフ。
• 結論：仮説は支持されたか？1つか2つの数値に基づいた2〜3文。
• 誤差の原因と改善点：少なくとも2つの誤差の原因と、実験を繰り返すなら何を変えるか。採点には、「Arduinoプロジェクト評価のルーブリック」の記事の観点をこれらの項目に合わせて使えます。

アプリにある既製のセンサープロジェクト、「コードを理解」、ツール

BlueGraysには、これらの実験で使うすべてのセンサーについて、回路図、部品リスト、コードのそろった既製のプロジェクトがあります。生徒は実験の前に、これを使ってセンサーに慣れておけます。無料のものはLDRで光の強さを測定、HC-SR04で距離を測定（シリアルモニタ表示）、DHT11で温度と湿度を測定です。ESP32を使う場合は、ESP32とLDRモジュールで光の強さを読み取る、ESP32とHC-SR04で作る超音波距離計、ESP32 DHT22温湿度計（LCDディスプレイ付き）も無料です。無料のプロジェクトではブロックと「コードを理解」のセクションも使えます。生徒はコードの働きをステップごとに読み、「自分で試す」の課題で小さな変更を自分で加えます。授業でのこのセクションの使い方は「コードを理解」のガイドにあります。LDRの実験で分圧された電圧を計算するには「分圧回路」ツール（プレミアム）が、抵抗の確認には無料の「カラーコード」ツールと「オームの法則」ツールが役立ちます。温度をLCDに表示するNTCと2x16 LCDディスプレイで温度を測定や、データをmicroSDカードに保存するESP32温度データロガー（DHT22 + DS1307 RTC + microSD + OLED）のようなプレミアムのセンサープロジェクトをクラス全員に開放したい場合は、1回限りの購入の教育者向けパッケージが用意されています。生徒はカードを登録せずにプレミアムを使えます。

安全：お湯、電気、水の近くでの作業

• お湯：沸騰したお湯は使いません。約60 °Cで十分で、それでもはっきりした曲線が得られます。お湯は先生が配り、マグカップはケーブルが引っかからない机の中央に置きます。測定中はマグカップを手で持ったり動かしたりしません。
• 水と電気：水に入れるのは防水型プローブの金属の先端だけです。Arduino、ブレッドボード、パソコンは水から少なくとも30 cm離し、できれば別のトレーに置きます。机に水がこぼれたら、まずUSBケーブルを抜いてから拭き取ります。
• 電源はUSBだけ：これらの実験はすべてパソコンのUSBポートから給電します。商用電源につながる機器（電気ケトル、ライト、ヒーター）をArduinoの回路に接続することは決してありません。
• 配線：配線の作成や変更は、必ずUSBを抜いた状態で行います。部品が熱くなったり、においがしたりしたら、すぐにUSBを抜きます。
• 光：懐中電灯を人の目に向けないでください。強いLED懐中電灯を近くで見ると、目に負担がかかります。
• 斜面：板が机の端からはみ出さないようにし、車はセンサーにぶつかる前に本で止め、板の下の本は滑らないように置きます。

1つのセンサー、整ったCSV出力、よく練られた問いがあれば、理科の実験は教科書の結果をなぞる作業から本物の測定研究に変わります。生徒は自分でグラフを描き、自分たちの誤差の原因を話し合い、自分たちの数値で結論を説明します。実験の前にセンサーに慣れ、スマホで回路をステップごとに組んでみたい場合は、BlueGraysアプリの無料のLDR、HC-SR04、DHT11のプロジェクトから始められます。