< 物理学概論2019年度講義録第14回

今日の授業

 今日は波、主に光の反射・屈折などについて。

 まず「左右反転しない鏡」を見せた。

 これは2枚の鏡を90度の角度をつけて貼り合わせたもの。

 図のように光が反射するので、正面にある図は「2回反射」の結果である。よって2回反転した画像となる。

 ここで一つクイズ。

この鏡を貼り合わせの軸(最初の状態では鉛直)が水平になるように回転させると、映る像はどうなるだろうか??

 ちょっと意外に思えるのだが、

のように、上下反転した像が見える。

 このときの光の進路を図に表すと以下のようになる。確かに、上下が反転する。

 次に「パラボラを使ったマジックミラー」を見せてこのように見える理由を考えた。

 この鏡、斜めから見ると空間に浮いているように物体が見える↓

のだが、実はこの物体はこの鏡の底の部分にある↓

 それなのになぜ浮いてみえるかというと、この鏡は「放物面」の鏡が組み合わされてできている。「放物面」はいわゆる「パラボラアンテナ」の形で、並行光線を一点に集めるという性質を持っている。下の図のようにこの鏡を組み合わせると、

 図の下の丸から出た光は上の丸を通ってから目に入る。

 人間は光が来た方向に物体がある、と感知するので、上に物体があるように感じてしまうのである。

 人間の目がどのように「見て」いるかという話になったので、以下のクイズを出してみた。

 蛍光灯の光を凸レンズで集めるとどうなる??
  • (a)太陽の光を集めたときと同様、一点に集まって熱くなる。
  • (b)一点には集まるが、熱くなるほどではない。
  • (c)一点には集まらず、蛍光灯の形が映し出される。

 手を挙げさせると(b)と(c)が半々aぐらいだったが、正解は(c)である。

 「凸レンズなんだから一点に集めるはず」と思っているとこれは間違える。

 凸レンズは平行光線は一点(焦点)に集める。また、一点から出た光は焦点ではない点に集める。光が集まる点は、光がどこから出たかによって違う。これがゆえに、蛍光灯という大きさのある物体から出た光は、蛍光灯の形の「像」を結ぶのである。

 これは、人間の目がどのようにして物体の「像」を得ているかという原理でもある。

 次に、下のシミュレーションをやりながら、屈折率が変わる境界での反射について考えた。

波の反射と透過

 上のアニメーションで波が屈折率の違う境界で、屈折率が大きくなる境界では固定端反射、小さくなる境界では自由端反射するという話をした後、

では屈折率が等しいときはどんな反射をする?

と聞いてみた。

 これもなかなか答えが出てこなかったが、実は、「そのときは反射が起こらない」というが答えである。それの実例として、「給水ポリマー」(水と屈折率がほぼ同じ物質)を水中に入れると(ほぼ)見えなくなる、という現象をみせた。

←水をいれないとき

←水をいれたとき

 というわけで話は屈折に入ったので、次に、波の屈折のシミュレーション

波の屈折

を解説した(話の途中で全反射などにも触れた)。

 他に、偏光板を使った実験などを行った。

受講者の感想・コメント

受講者の感想・コメント

 青字は受講者からの声、赤字は前野よりの返答です。

 主なもの、代表的なもののみについて記し、回答しています。


ここの範囲は色々と見せられる実験が多いと感じた。実験が多いと授業に対する意識も向上すると思った。
物理というのは「現象を理解させること」が第一の目標なので、実験をいろいろやりながら生徒の意識を自然現象に向けるようにしてください。

全反射はよくわかっていなかったけど理解できた。
アニメーションを見ながら理解していきましょう。

光は波だと言われてもあまり理解できなかったけど、偏光板をつかってみせるとわかりやすいなと感じた。
あれは「横波だ」ということがよくわかりますね。

波について少し理解が深まりました。
それはよかった。

合わせ鏡は良からぬ世界とつながるからやるなってお母さんに言われました。蛍光灯と虫眼鏡はやってみたい実験。
ぜひやってみて。

蛍光灯の問題は光源とレンズの距離を十分離すと点に見えますか。
授業中に聞こうよ、そういうことは。点にはなりません。

3限で偏光顕微鏡、4限で鏡像の話をしていたので、タイムリーな話題でした。
それはなかなかにタイムリーだったね。

マジックのネタばらしみたいな授業だった。鏡とか光、くわしければマジシャンになれる。
マジックはネタがわかると「なぁんだ」と思ってつまらなくなる。理科実験は、ネタがわかったらわかったで面白い。

なぜ鏡は左右が逆になるのか、当たり前過ぎて考えたことがなかった。このような身近なのにわからない疑問から授業をしていくとすごく面白いし、子供は興味をもって楽しんでいけるとおもう。もっとそういうものを見つけていきたい。
素朴な疑問は科学の始まりで、だからこそ面白いし、難しい。

実験が多い方がその分野に親しみやすい。中高生のころに、この授業ぐらい実験があったらよかったのに。
ぜひ、実験ができる教員を目指してください。

光の反射を使って自分で工夫して新しいおもちゃをつくってみたいと思った。
やってみてやってみて。

光はアニメーションを使った方が理解しやすいと思った。
物理現象は動いてるのだから、動くものは大事ですね。

偏光板を3枚重ねると見えなかったのが見えるようになるのには驚いた。
意外で、面白いでしょ。

透明人間がいたら目のレンズで光を集められないから何も見えないってすごくおどろきました。
考えてみると、当たり前といえば当たり前。

屈折率を1にしたら反射がなくなることにおどろきました。
反射が起こっている原因がそもそも「屈折率が変わったこと」なのです。

レンズは光を一点に集める、という誤概念を取り払うために蛍光灯の実験はすごく面白く見えるだろうなと感じた。想像した結果より意外なことが起こる実験というのを探してみたいと思った。
「意外だ」という驚きが科学の始まりですからね。

私も教師になったら、実験などを多くやっていき、生徒たちが物理に興味を持つように頑張っていきたいです。
ぜひ、そういう教員を目指してください。

今日の授業