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もくじ
1.太陽光をプリズムで分解する
2.夕焼け
3.平面鏡による光の反射
4.平面鏡に映る像
5.光の反射の法則
6.鏡の中の像の数
7.凹面鏡と凸面鏡の反射
8.凸レンズの焦点距離
9.浮き上がる像
10.見えないガラス
11.消えるストロ-と人形
12.曲がる光
13.凸レンズで実像をつくる
14.凸レンズと凹レンズがつくる実像と虚像
15.レンズで太陽光の屈折を観察する
16.ペットボトルでレンズの代わり
17.ビーカーの中のピンポン玉、卵
18.蜃気楼
19.ピンホールカメラ
20.光りマジック(封筒の中の文字)

1.太陽を光をプリズムで分解する トップへ

二種類の光り太陽やロウソクなど自分で光るものを光源といい、光源から出てくる光を直接光という。月自身は光を出さないが太陽光を反射するので見え、水面が光るのも太陽光を反射するからである。このように光源の光を反射した光を反射光といい、物の形や色が見えるのは反射光が目に入ってくるためである。光源がなければ物は見えない。

ねらい 太陽光をプリズムで分解し、太陽光が赤、緑、青などのいろいろな色の光からできていることを知る。
材料 三角プリズム(三角形のガラス)
方法 三角プリズムを直射日光の当たる場所に置き、太陽光が分解され虹のように光の色が見えることを観察する。
結果 赤から紫までのいろいろな色が観察できる。

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解説それぞれの光は屈折率が違うので屈折率の小さな赤色から、緑、青、屈折率の大きな紫色まで並ん でいるのが観察できる。光りはプリズムに入る時と出る時の2回屈折して分散し虹のように見える。

白色光 太陽光のようにいろいろな色(波長)の光りを含み、色を感じない光。
可視光線 人間の目に感じることができる光。
単色光 プリズムで分解したそれぞれの色の光、可視光線の中で最も波長が長いのが赤色、短いのが紫色で、中間は緑色である。白色は全ての光りを反射した色。
光の分散 屈折によっていろいろな光に分かれること
光の散乱 光が、大気中の微小な水滴、気体分子、塵などの微粒子に当たり、四方に散っていくことをいう。

青空大気中の水滴の微粒子などがコロイド粒子の働きをし、光が散乱されチンダル現象が起こり光の道筋が見える。湖面が太陽の反射光で輝いて見える。
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2.夕焼け トップへ

ねらい 可視光線の中の赤い光が遠くまで届き、赤い以外の光が途中で吸収・散乱されることを理解する。赤い光は波長が長く、波長の長い光は大気中を通りやすい。
材料 夕日の観察実験器 ペットボトル 牛乳
方法 1 操作方法に従って実験器具を組み立てる。
2 光散乱剤を水1.0Lに対して3.0~5.0mL程度入れて水が少し白濁することを確認する。
3 液体が大気に該当し、ミニライトが太陽に該当することを説明する。
4 部屋を薄暗くし、太陽に仮定したミニライトを真上にセットし、光線を絞り、液体は薄青色であること、鏡に反射させたライトの色は薄黄色に見えることを確認する。この色は、昼間の太陽が黄色に見え、青空に該当する。
5 ミニライトを少しずつ傾け、真横に固定する。水槽は赤みを帯びて見え、ミニライトを反対側から見ると赤く見える。夕焼け空が赤くなり、夕日が赤いことが分かる。
6 ミニライトの光りをプリズムで分光し、光が七色であることを確認し、屈折の小さい方が赤色、屈折の大きい方が青色であることを理解する。

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説明 光は微細な粒子に当たると散乱する性質がある。赤などの波長の長い光(屈折率の小さな光)は散乱されにくく透過しやすく、波長の短い光(屈折率の大きな大きな光)は散乱されやすい性質がある。日の出、日没の時は、太陽光に対して大気が厚くなるので、長い距離を太陽光は通ることになり、青い光は散乱され、赤い光が残りこの赤い光が地上に届くため、朝焼け、夕焼けは赤く見える。

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虹 大気中の小さな水滴がプリズムと同じ作用をし、太陽光を屈折、
分散するためできる。水滴に入った太陽光は2回の屈折と1回の反射で分散する。太陽を背にした時に見え、上側(外側)が赤に、下側(内側)が紫色に見える。条件が良いと二つの虹が見えることがある。内側の明るい虹を主虹、外側の暗い虹を副虹という。副虹は水滴中で二回屈折し、二回反射した光でできる。   二重の虹 (主虹と副虹)
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物の色 リンゴが赤く見えるのは、白色光の中の赤い光が目に入ってくるためである。黄色い光を当て黄色が反射すればリンゴは黄色に見える。

3.平面鏡による光の反射 トップへ

ねらい 鏡に光を当てると反射することを確認する。
材料 平面鏡(木片に取り付けてある鏡)ボード 支持台 懐中電灯
方法 1 太陽光を鏡で反射する

2 図のようにボードに二枚の平面鏡を取り付け、懐中電灯で上の鏡に光を当て壁に鏡の像をつくる。

入射光         平面鏡
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結果

1 光が鏡で反射し鏡の像が映る。
2 図のように光は二回反射し、壁に鏡の四角い像が映り、光が反射することがわかる。

装置全体      上の鏡       壁に映った上の鏡の像
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4.平面鏡に映る像 トップへ

平面鏡に反射しできる像は実物大の正立虚像で面対象の位置に左右逆の像となる。図のA点、B点で反射の法則に従い反射して目に入る。反射した光の方向に像があるように見えるため、像は鏡の面に対して対象の位置にできる。
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4.光の反射の法則 トップへ

ねらい 光りの入射角と反射角が等しいことを、鏡を使って確かめる。
 材料 平面鏡(木片に取り付けてある鏡)ロウソク 粘土 ピン 白い紙(B4またはA4)定規 分度器
方法 1 白い紙を置き、中央に直線を引き鏡を立てる。

2 ロウソクを鏡の前5cm程度の距離に置く。その場所をAとする。

3 図のように鏡の中の像と直線になるように二本のピンを立てる。立てたピンの場所に筆で印をつけB、B’とする。

4 作図の方法 Aから中央の線に垂直になるように垂線(法線)を引き、交点をOとする。

5 立てたピンの場所二か所を通る直線を引き、中央の線との交点をCとし、Aから引いた垂線との交点をA’とする。

6 Cからに垂線を(法線)引き、その端をC’とする。

7 AからCに直線を引く。

結果 1 AOとA’Oの長さを測定する。

2 角ACC’(入射角)と角BCC’(反射角)の角度を測定する。

1と2はほぼ等しい長さ、角度になる。

反射の法則 入射角=反射角 入射角と反射角は法線に対する光の角度であり、鏡に対する角度ではない。つまり、光と法線が作る角度である。
入射角    反射角
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6.鏡の中の像の数 トップへ

材料 平面鏡2枚 物体
方法 2枚の平面鏡の角度を結果の表のように変えて像の数を数える。

平面鏡二枚を立ててその間に物体を置くと鏡の中の物体の数(n)はn =(360/θ)-1

で表すことができる。θは平面鏡のなす角度

結果   鏡の中の像の数

角度 30° 45° 60° 90° 120° 180°
  n 11 7 5 3 2 1

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7.凹面鏡と凸面鏡の反射トップへ

時計皿に白い紙を張り付け日陰で像を映すと写真にも収められる像ができる。

材料 大きい時計皿 白い紙 セロテープ
方法 白い紙を時計皿に貼り付け凸面鏡と凹面鏡を作る。
結果 日陰で像を映すと鏡のように像が映る。

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8.凸レンズの焦点距離トップへ

焦点を「焦がす点」と書くのは、凸レンズで光を集めて紙などを焦がすという意味で、レンズからその点までの距離を意味する。

材料 凸レンズ 黒い紙(黒マジックで塗ればよい) 段ボールなどの厚紙 まち針 定規
方法 1 段ボールに黒紙を貼り、まち針を垂直に立てる。

2 まち針の影ができないように太陽光線に対して垂直に立て、凸レンズで太陽光線が一点集まるよう、できるだけ小さな点にする。

3 定規で厚紙から凸レンズまでの距離を測定する。

4 色紙を厚紙にクリップで留め、焦点が定め何秒で燃えるか測定する。

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屈折を光の速さで説明
光速は真空中で3×105km/秒で空気やガラスの中を通過するときは遅くなる。下図は「左右の車が独立して回転すると仮定」し、砂場の中に入る前は両方の車輪は同じように動き、砂場に入いると片方の車輪の動きが急に遅くなり、がっくと曲がることになる。両方の車輪が砂場に入れば同じ速度で動き、砂場からでるときは遅くなった方の車輪が先に出て再び両方の車輪は同じ速さになる。
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9. 浮き上がる像(屈折)トップへ

材料 コップ 丼 ストロー 硬貨 水
方法 1 コップに水を入れてストローの見え方を観察する。

2 丼の底に硬貨を入れ、硬貨が見えない位置に立ち、水を入れて見る。

結果 ストローは上に折れて見え、硬貨は浮き上がって見える。

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10. 見えないガラストップへ

材料 サラダ油 ビーカー ガラス板
方法 ビーカーにサラダ油を入れ、ガラス板を入れる。
結果 ガラス板が見えなくなる。

 説明 サラダ油とアクリル板の屈折率(絶対屈折率)がほぼ等しく、サラダ油とアクリル板の境界面でほとんど反射、屈折しないからである。
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11. 消えるストロートップへ

材料 ストロー コップ 水 紙片
方法 1 コップに水を多めに入れる。

2 ストローの中に目印を入れて、ストローを指で押さえて水の中に入れ、ストローの角度を大きくする。

3 紙片が見えなくなるのを確認した後、指を離す。

結果 ストローの角度を大きくすると中の紙は見えなくなる。指を離すと水が入り、紙の色が再び見える

説明 ストローの角度を大きくしていくとストローの表面で光が全反射しストローの中が見えなくなる。水を入れると水の中で反射するので見えるてくる。
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消える人形

方法 水槽に水を入れ、人形を置くに置き、水槽の手前から角度を変えて見る。

結果

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12. 曲がる光(全反射)トップへ

材料 ペットボトル 透明チューブ 水 レーザーポインター 
方法 1ペットボトルの底近くにチューブが入る穴を開け接着剤で水漏れしないよ

うにする。

2水を入れ、チューブから水を排出しレーザーポインターを穴に向けてあてる。

結果 チューブ内部が明るく照らされ 光が屈折して通ることがわかる。

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13. 凸レンズで実像をつくるトップへ

材料 凸レンズ
方法 凸レンズで白い壁などに風景などの像を作る。またレンズに映った像を見てその違いを比較する。
結果 1 壁に映った像は上下左右が逆になり、レンズによって屈折した像である。

2 レンズには像が映っており、この像は上下逆ではなく、レンズから全反射した像である。

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14. 凸レンズと凹レンズがつくる実像と虚像 トップへ

この実験はレンズを通した像を観察するが、ロウソクに火をつけるようなことはせずに懐中電灯の光で像の大きさが観察でき、明るい部屋の中でも実験が可能である。

ねらい 物体と凸レンズの距離とできる像の関係について調べ、実像と虚像について理解する。
材料 凸レンズ(虫めがね) 凸レンズ(近視メガネなど)懐中電灯(ロウソク) 定規 カードボードなど像を映す白い紙(スクリーン)
方法 1 凸レンズの焦点距離を調べておく。

2 焦点距離に懐中電灯を置き、像ができるかどうか見る。

3 懐中電灯を焦点距離から少しずつ遠ざけて、

ア 焦点距離と焦点距離の2倍の距離の間

イ 焦点距離の2倍の距離

ウ 焦点距離の2倍よりも遠い距離

この3点について像の見え方を調べる。この時スクリーンを動かして像ができる時のピントを合わせるように注意する。

4 次に懐中電灯を焦点距離よりも近づけて像が見えるかどうか観察する。

*懐中電灯は、光源とスクリーンに映った光源の大きさがはかりやすいのでロウソクよりも実験には適している。この実験では光学台は必要としない。

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結果

光源と凸レンズの距離 実像の大きさ
焦点距離     14 cm 像はできない
                     21 cm 光源よりも大きくなる(6cm)
焦点距離の2倍  28 cm 光源と同じ大きさ(3cm)
                       35 cm 光源よりも小さくなる(2.5cm)
焦点距離よりも近くする 光源よりも大きい

1 懐中電灯を焦点距離に置いたときは像は見えない。レンズの中心を通る光とレンズで屈折した光が平行になるためである。

2 懐中電灯を焦点から遠ざけると逆さまの倒立実像が見える。像の大きさは実物より大きな像から小さな像へと変化していく。焦点距離の2倍にロウソクを置いた時が実物と同じ大きさの像になる。

3 懐中電灯を焦点からレンズに近づけたときはスクリーンには像は映らない。レンズを通 して見ると実物よりも大きな像が見える。この像は正立虚像である。

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15. レンズで太陽光の屈折を観察する トップへ

光源を太陽光とし、屋外で観察すると光の屈折がきれいに見える。室内で行う場合は懐中電灯を光源とすると良い。

材料 凸レンズ 凹レンズ 長方形アクリル板
方法 1 直射日光が当たる場所で、長方形アクリル、凸レンズと凹レンズを段ボールなどの板の上に置きセロテープで留める。定規を横に張り付けておく。

2 板を傾けて太陽光線がレンズを通るように角度を調節する。

3 レンズの焦点距離を測定する。

4 レンズを組み合わせて屈折の仕方を観察する。

結果

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16  ペットボトルでレンズの代わり(虚像と実像)トップへ

材料 ペットボトル 水 画用紙 ペン
方法 1 ペンで画用紙に左右の区別をする→などを横に書き、ボトルに水を入れる。

2 画用紙をボトルの後ろに置き、距離を調節し、像の見え方を観察する。

結果 1 距離が近い時は左右同じの像(虚像)が見える。像を焦点距離以内に置いた時に大きな虚像になる。

2 距離を離すと左右逆の像になる。これは焦点距離よりも遠くに置いた時に見える像(実像)である。ボトルは物体に対して横方向がレンズの働きをする。

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17 ビーカーの中のピンポン玉、卵 (光の屈折)

材料 ピンポン玉 卵 大きめのビーカーか半分に切ったペットボトル 水
方法 容器に水を入れて、この中にピンポン玉か卵を縦方向に入れるとどのような形

に見えるか。

結果 ピンポン玉は横長に見え、卵は丸く見える。

説明 容器の円柱状が凸レンズの働きをする。横方向に凸レンズとして働き、縦方向には働かない。そのため横方向に拡大されピンポン玉は横長の楕円として、卵は丸く見える。

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18 蜃気楼 トップへ

蜃気楼とは:蜃気楼は大気の気温が下層が低温、上層が高温の二重構造になり密度差が生じ、光の屈折率の違いにより、地表にある構造物などの風景が上下逆さまに見えたり、伸びて見える現象で、富山湾の蜃気楼が有名である。

蜃気楼の再現

材料 四角い水槽(丸いビーカーでもよい) 高濃度の食塩水 水道水 サランラ

ップ 人形などの置物

方法 一般的によくおこなわれるのが、海水などの高密度水の上に水道水などの淡水を置き、下層が高密度、上層が低密度の二層つくり、光を屈折させて屈折像(虚像)をつくる。

1 水道水を暖め塩を入れて高濃度食塩水をつくる(必ずしも飽和水でなくてもよい)。

2 水槽に半分程度食塩水を入れる。

3 その上にサランラップを水槽よりも大きめに切って置く。サランラップの上から静かに少しずつ水道水を小さめの容器で入れる。この時食塩水と水道水は混合しない。

4 水道水を上まで入れたら、サランラップを静かにゆっくりとり上げる。

5 食塩水と水道水が二層に分かれていることが肉眼ではっきりと確認できる。

6 この二層の違いは生徒に確認させる。

7 人形など見る側の反対に置き、観察する高さをいろいろ変えて観る。

*二層を作る時、一般的にはサイフォン式でゴムホースを使って行うことが紹介されているが、サランラップを使う方が簡単で時間もかからない。

結果 眼の高さを変えることで、像が伸び上下逆さまの虚像がはっきり見える。

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説明 二層の境界で光が屈折しして進み、人の目には光は直進して見え、図のように上方から光りが直進してくるように見えるので、物体が上層に上下逆さまの虚像として見える。

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*光の屈折の原理から淡水だけでも上下逆の像は見える。

光りが反射していることを確認するための実験

水を絵具など少し濁らせ、境界層の密度を少しずつ変化させ、レーザーポインターなど光跡がよくわかる光を当てると光がカーブを描き反射している様子がよくわかる。しかし、レーザーポインターがない場合にも光が反射して蜃気楼が現れることを確認する簡単な方法がある。

方法

水槽の前に黒い紙を置き、人形が見えないことを確認した後、目の高さを蜃気楼が見えたように下方に下げると、上層に人形が見える。実物は見えなくても上下逆さまの虚像が見えることで光が曲がり、直進してきた虚像として見えることがわかる。

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実際の蜃気楼は、春先に寒冷大気により水が冷却され、水に接している大気が冷やされ、上空よりも気温が低くなり、逆転層が生じている時に起きる。下層の空気は気温が低いために密度が大きく、上層の空気は気温が高く密度が小さくなる。大気の密度は水槽実験のように急に変化するのではなく、少しずつ小さくなっており、光が少しずつ屈折し、全反射は密度の大きい方から小さい方に光が通るときに起きやすいので、このような条件がそろうと全反射も起きやすく、上層で光が全反射し、上の方に蜃気楼(虚像)が見える。その時の気温の分布により、様々な虚像が見える。

19 ピンホールカメラトップへ

材料 円筒(お菓子などの円筒の容器)大小2個 油紙 紙
方法 1 大きい方の円筒の中心に小さな穴を開ける。

2 小さい円筒の底を切りとり油紙を張り付け、反対側に中央に穴を開けた紙を貼る。

3 小さい円筒を大きな円筒に入れ、被写体を見る。

結果 倒立実像が見える。

 

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20 光りマジック(封筒の中の文字)トップへ

材料 厚紙 黒絵具(マジックペン)青絵具(マジックペン)
方法 1 紙の表を青く塗り 封筒を作る。既成の封筒を使っても良いが内側を青く塗

る。円筒を作る紙の表を黒く塗り、長さ10cmの円筒にする。

2 封筒に入る大きさに紙を切り、円筒より小さめに文字などを書く。

3 封筒に2の紙を入れ、光の方向に円筒をかざして見ると内側の文字などが読み取れる。この時、外から見えないことを確認する。

結果 書き込んだ文字が見える。

説明

光りは封筒の向こう側から真っ直ぐ通り抜けて円筒の中に入ってくる。黒は光を吸収するので、文字のところは光が透過せず、白い所だけを外からの光は透過し円筒内に入ってくる。円筒内は透過してきた光だけを見ることになり、黒い文字が書かれた部分は光が通らないので暗い影となり、文字を読むことができる。封筒内の黒は、封筒で反射する光を遮り、円筒内での光の散乱を防ぐ働きをする。
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