理科の自由研究／光

光は直進します。／光は反射します。／光は屈折します。

光とレンズ

[ 目，カメラ，望遠鏡，顕微鏡 ]
目のしくみ／カメラのしくみ／望遠鏡のしくみ／顕微鏡のしくみ

[ 光は何なのだろう ]
光は粒子なのか波なのか／光よりはやい物質はあるか／夕焼けはなぜ赤いか

詳しい解説は

　昼は太陽からの光を何気なく，いつも気にしないままに過ごしています。夜は，スイッチ一つで電灯の光で不自由のない生活をしています。この「光」はどんな性質をもっているのか，調べてみましょう。

● 光は直進します。

この写真から光は直進していることが分かる

　光は，空気や水，ガラスのような一様（みな同じようにそろっている）な物質の中では直進します。
　太陽の光は、１５０,０００,０００km（太陽－地球の距離）をまっしぐらに約８分２０秒かかって地球に到達します。

● 光は反射します。
　→『スーパー理科事典』 p.484参照
　私たちが毎日鏡を見ていますね。私たちという「光」が鏡に反射して目に見えているのです。「光」は，光を通さないものにあたると，はね返されます。このことを「光の反射」といいます。
　光の反射には下の図のように決まりがあります。

光の反射には決まりがある→ 『スーパー理科事典』 p.484より

● 光は屈折します。
　→『スーパー理科事典』 p.485参照

　光は，空気中から水中などに進むとき，進む方向を変えます。
　光は，右の写真のように，空気と水の境目で折れ曲がるのです。
　このことは，たいへん重要なことです。プリズム，レンズ（望遠鏡や顕微鏡に使われていますね）などもこの光の屈折を利用しているのです。
　光の屈折には決まりがあります。

● 光とレンズ
　→『スーパー理科事典』 p.486参照
　凸レンズを使って物を大きく見るときがありますね。これは光の屈折を利用しているのです。
　「レンズ」というのは，２枚の球面で囲まれた透明(とうめい)な物質でできているものをいうのです。凸レンズと凹レンズの２種類があります。
○凸(とつ)レンズ……中央の部分が周辺より厚いレンズをいいます。
○凹(おう)レンズ……中央の部分が周辺より薄いレンズをいいます。

　レンズで光が集まるところを何というのでしょう。
○焦点(しょうてん)……凸レンズの場合，光がレンズに入るとレンズで屈折した後，一点に集まります。この点をレンズの焦点といいます。
○焦点距離(しょうてんきょり)……レンズの中心から焦点までの距離を焦点距離といいます。

光は空気中からレンズの中を進むとき，進む方向を変えます→ 『スーパー理科事典』 p.486より

● 目，カメラ，望遠鏡，顕微鏡
　→『スーパー理科事典』 p.488参照

○目のしくみ
　わたしたちの目は，下の図のように，中に凸レンズが入っています。
　この凸レンズをささえている筋肉（毛様筋といいます）のはたらきで，凸レンズを厚くしたり薄くしたりして，近くのものも遠くのものも自由自在に見えます。
　ところが，凸レンズをささえている筋肉がうまくはたらかないとき，近視や遠視となります。
　・近視のとき……凹レンズをかけて矯正（きょうせい）します。
　・遠視のとき……凸レンズをかけて矯正します。

○カメラのしくみ
　カメラの基本的なつくりは，目の構造とよく似ています。
　・フィルム＝網膜（もうまく）　　・レンズ＝レンズ（水晶体：すいしょうたい）
　・しぼり＝虹彩（こうさい）　　・フィルター＝角膜（かくまく）

○望遠鏡のしくみ
　凸レンズや凹レンズを何枚か適当に組み合わせることにより，望遠鏡や顕微鏡を作ることができます。
　望遠鏡は，遠くにある物を大きく見せます。
　望遠鏡には，屈折望遠鏡，反射望遠鏡，シュミット望遠鏡，双眼鏡　などがあります。
　・屈折望遠鏡……対物レンズ（観察するものに近づけるレンズ）として，レンズを用いたものです。
　　ケプラー式とガリレイ式望遠鏡があります。
　・双眼鏡……小型の屈折望遠鏡を２つ並べたものです。
　・反射望遠鏡……対物レンズとして，凹面鏡を用いたものです。
　　大望遠鏡には反射望遠鏡が使われています。「すばる望遠鏡」も反射望遠鏡です。
　・シュミット望遠鏡……反射鏡に補正レンズを組み合わせたものです。

○顕微鏡のしくみ
　顕微鏡は，望遠鏡を反対にしたしくみになっています。

● 光は何なのだろう
　→『スーパー理科事典』 p.618参照

○ 光は粒子なのか波なのか
　Ｉ．ニュートンは光を粒子として，反射や屈折の説明をした。
　Ｃ．ホイヘンスやＲ．フックは光は波であると主張した。が，光を伝える物質は何かということが問題となった。光の波を伝える物質「エーテル」が全宇宙を満たすと想像すると，光のいろんな現象をうまく説明することができた。Ｔ．ヤングによって光の横波説が完成し(1801年)，光は横波であるかのように思えた。
　Ｈ．ヘルツが亜鉛に紫外線を当てると金属面から電子が飛び出す「光電効果」を発見した（１８８８年）。Ａ．アインシュタインは，この現象を光の粒子性で説明をした。
　現在は，光は粒子性と横波という波動性の２面をもっているとされている。

○ 光よりはやい物質はあるか
　科学者たちは，光の波を伝える「エーテル」の存在を証明することができなかった。この事実からアインシュタインは，
　　１．互いに等速で運動している２つの物体の間では，自然の法則は全く同じに成り立っている。
　　２．どのような運動をしている物体に対しても，光の速度は一定である。
　という「相対性理論」を仮定した。
　この相対性理論によると，ロケットが飛んでいるとき，その速さが増せばますほど，長さが短くなり，ロケットの質量が大きくなり，乗っている人の時間はだんだん遅くなるという。

○ 夕焼けはなぜ赤いか
　空気中には目に見えない水蒸気やちりなどが浮かんでいる。太陽の光が厚い大気の層を通り抜けるとき，これらの小さい粒に波長の短い青色の光が当たると散らされ（散乱という），青く見える。晴天の日の空が青いのはこのため。
　一方，波長の長い赤やだいだい色の光は散乱されにくく，空気中を通る光の距離が長いとき，すなわち太陽が西へ傾いたとき，空は一面に赤くなって夕焼けとよばれるようになる。

■詳しい解説は→『スーパー理科事典』 p.484-489参照
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（第17回　2001.3.20-5.27）