反射

2013年9月29日 (日)

闇に光る目 猫の目はなぜ光る?

玄関ポーチの屋根の上に猫を発見。

カメラを向けたらこちらをじっくり見ていました。

Photo

上から目線だから逃げる気配まったくなしです。

2

猫の目がよく光るのは、網膜の構造によります。猫のような夜行性の動物は網膜の光を感じる細胞の裏側が反射板(脈絡壁板)のようになっています。

視細胞を通り抜けた光は、反射膜ではね返って、またこの光が視細胞を刺激します。このため、夜行性の動物は暗闇でも目が良く見えるようになっています。

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2012年8月25日 (土)

すさまじい威力の自作の太陽炉

米国の19才の少年が5800個の鏡を使って作ったR5800という名前の凹面鏡です。直径1メートルのパラボラアンテナに鏡を貼り付けて作ったそうです。この凹面鏡の焦点に物体を置くと、あっという間に物体が燃焼してしまうのですが、その威力は金属を溶融させるほどで、まさに太陽炉のようです。この簡単な装置で、焦点の位置の温度は3600℃にもなるそうです。

Solar "Death Ray": Power of 5000 suns!

ただ、このR5800は格納していた小屋が火事になってしまい燃えてしまったそうです。火事の原因はよくわかっていないようですが、小屋に入り込んだ光がR5800に集められて小屋に火をつけた可能性があるとのことです。ものを燃やす装置が自分を燃やしてしまったことになります。ネット上では、装置が自殺したなんて書かれています。

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2012年7月26日 (木)

平面鏡を傾けると反射光はどれぐらい傾くか

 傾いた平面鏡に光を入射したとき、反射光がどどのぐらい傾くかを考えてみましょう。次の図のように入射光を固定した状態で、平面鏡を元の位置MからM’へα度だけ傾けると、入射角・反射角ともにα度だけ増加します。このとき、鏡を傾けた後の反射光は、鏡を傾ける前の反射光より2α度傾きます。

 Photo

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2012年1月18日 (水)

平面鏡でできる実像

 一般的に、平面鏡でできる像と言えば、虚像を意味することが多いのですが、平面鏡でも実像を作ることはできます。

 太陽光を鏡で壁や天井に向けて反射させるとき、四角い鏡を使うと、天井や壁には四角い光が映ります。ところが、鏡から天井や壁までの距離が長くなると、映る光の形は四角ではなく円形になります。

 次の写真は2つの電球がついた電灯です。この電灯の光を四角形の手持ち鏡で反射して、壁や天井に光を映してみました。

Photo_112

 鏡から近くの壁に光を反射させてみたところ、壁に映る光は四角形となりました。

Photo_113

 次に天井に映してみました。すると、ぼんやりとした四角形の2つの光が映りました。

Photo_114_2

 鏡からさらに遠いところにある壁に光を映してみました。それぞれの光の形は円形をしています。

Photo_115

実はこの2つの円形の光は電灯の2つの電球の実像です。

なぜ平面鏡で実像ができるかというと、平面鏡がピンホールと同じ働きをするからです。

ピンホールは光を通過させてスクリーンに実像を作りますが、鏡は光を反射させてスクリーンに実像を作ります。

鏡の大きさはピンホールの大きさに相当します。鏡が大きいときには、実像は明るくなりますが、ぼやけます。鏡が小さいときは、はっきりとした実像ができますが、暗くなります。

大きな鏡でも、きれいな実像ができる例はあります。どのように映るかは、物体、鏡、スクリーンの位置関係で決まります。

次の写真は部分日食のときの太陽を比較的大きな鏡で遠くの壁に映した写真です。駆けた太陽の形をした実像が映っています。

Photo_111

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2012年1月 2日 (月)

スプーンの内側に顔が逆さまに映る理由

■スプーンをのぞいてみると

 スプーンのへこんでいる内側をのぞくと上下が逆さまになった顔が映ります。よく見ると左右も逆さまに映っています。ためしに、スプーンに上下逆さまに顔を映したまま、右目をウィンクしてみましょう。普通の平らな鏡(平面鏡)では鏡の右側に映っている目がウィンクしますが、スプーンの内側では左側に映っている目がウィンクします。どうして、スプーンの内側をのぞくと顔が上下左右が逆さまに映るのでしょうか。

■合わせ鏡による光の反射

 1枚の平面鏡に自分の顔を映すと、頭は鏡の上側に、あごは鏡の下側に、左目は鏡の左側に、右目は鏡の右側に映ります。それでは、次の図のように2枚の平面鏡を直角につなげた合わせ鏡をのぞきこんでみましょう。

合わせ鏡 鏡の中に映る頭とあごの位置はそのままですが、左目は鏡の右側に、右目は鏡の左側に映り、左右が逆に映ります。これは顔の左側が鏡の右側に、顔の右側が鏡の左側に映るからです。

 この合わせ鏡を90度向きをずらし、顔に対して上下に折り曲げるようにすると、今度は上下が逆さまになった顔が映ります。

 スプーンの内側はへこんでいるため、合わせ鏡と同じような働きをします。ただし、スプーンの内側の表面は上下方向にも左右方向にも曲がっています。そのため、スプーンの内側をのぞきこむと、頭はスプーンの下側に、あごはスプーンの上側に映り、左目はスプーンの右側に、右目はスプーンの左側に映ります。

Spoon

■凹面鏡と凸面鏡による光の反射

 表面が球面をした鏡を球面鏡といいます。表面が(A)のようにへこんでいる球面鏡を凹面鏡、(B)のようにふくらんでいる球面鏡を凸面鏡といいます。

凹面鏡と凸面鏡

 凹面鏡に平行に当たる光は(A)のように1点に集まるように反射します。この点を凹面鏡の焦点といいます。このように凹面鏡には光を集める働きがあります。凸レンズで日光を集めて黒い紙を燃やす実験がありますが、凹面鏡を使っても紙を燃やすことができます。 

 凹面鏡で物体が上下左右逆さまに映るのは、目と物体を置く位置が凹面鏡の焦点の外側(図Aで焦点の左側)にあるときです。このとき、目を置く位置が焦点の内側(図Aで焦点の右側)にあるときには、物体を置く位置に関わらず、上下左右は逆さまになりません。

凹面鏡

 スプーンの内側に顔を映し、まゆげと目が映るように、顔をスプーンに近づけていきましょう。最初は顔が上下反対に映っていますが、顔が焦点の内側に入ると、まゆげが上になった目が映ります。また、凹面鏡に物体を映すとき、目を置く位置が焦点の外側にあっても、物体が焦点の内側にあるときは、物体は上下左右逆さまに映りません。

 凸面鏡に平行に入射する光は(B)のように広がるように反射します。凸面鏡は物体を小さく映す働きがあり、平面鏡より広い範囲を映すことができます。目をどこに置いても、物体をどこに置いても、凹面鏡のように物体が上下左右逆さまに映ることはありません。

凸面鏡は自動車のバックミラーや見通しの悪い交差点やカーブなどで使われています。反射の法則を利用して、こちらから見えないところを鏡で見えるようするのと同時に、より幅広い範囲を映すために凸面鏡が使われているのです。

コーナーミラー凸面鏡

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2011年12月29日 (木)

氷は透明なのに、かき氷はなぜ白いのか

■透明なものを細かく砕くと白くなる

 透明な氷をかき氷機にかけると、あっという間に細かく削られて白いかき氷ができあがります。もとの透明な氷も真っ白なかき氷も、同じ水が凍ってできた氷です。どうして、透明な氷がかき氷になると白くなるのでしょう。

手動かき氷機(ブロック氷用)デモ

 透明な物体に光があたると、ほとんどの光は物体を通り過ぎます。ところが、透明な物体を細かく砕くと、表面にあたった光がいろいろな方向に反射するようになり、透明でなくなり、白くなります。

 ためしに、透明な氷をハンマーでたたいて細かく砕いてみましょう。砕いてできたひとつひとつの小さな氷片は透明ですが、その氷片がたくさん集まると白く見えます。たくさんの氷片で光がいろいろな方向に反射するからです。

■白い紙が鏡のように見えない理由

 光はあらゆる物体の表面で反射します。たとえば、白い紙はほとんどの光を反射していますが、鏡のように物体を映しません。

 白い紙の表面には微細な凸凹がたくさんあります。ここに光が当たると、光は反射の法則に従って、いろいろな方向に反射します。次の図の(A)のように光が規則的に反射することを正反射、(B)のように光がさまざまな方向に反射することを乱反射といいます。鏡は(A)のように光を正反射するため物体を映しますが、白い紙は(B)のように光を乱反射するため、反射した光線が混ざり合うので鏡のように見えないのです。

1

 これは簡単な実験で確かめることができます。CDケースなど透明なプラスチックの板に黒い紙を貼ります。黒い紙を貼った反対側の表面は鏡のように物体をよく映します。この表面を目の細かいサンドペーパーでこすると表面が白くなり、物体が映らなくなります。プラスチックの表面に細かい凸凹ができ、光の乱反射が起こるためです。

 透明な氷をかき氷にすると白く見えるのもたくさんの小さな氷片が凸凹と同じ役割をするからです。湖の水面に景色が綺麗に映っているときに、さざ波で景色が映らなくなるのも波で凸凹になった水面が光を乱反射するからです。

■物体を見ることができるのは乱反射のおかげ

 私たちが物体を見るうえで光の乱反射はとても重要です。次の図のように真っ暗な部屋で鏡と白い紙を真上からペンライトで照らし、その様子をほぼ真横から見てみましょう。鏡の見え方は変化しませんが、白い紙は光があたったところが明るくなります。これは鏡が光を真上の方にしか反射しないのに対し、白い紙は光をいろいろな方向に反射するからです。

2

 私たちの身の回りにある多くの物体は光を表面で乱反射しています。光が物体の表面で乱反射するおかげで、私たちは物体の姿や色をいろいろな方向から見ることができるのです。鏡や透明な物体が見えにくいのは、光が物体の表面で正反射したり、物体を通り抜けたりしてしまうためです。3_2

 ところで、氷屋さんで作られる氷は綺麗な透明ですが、家庭の冷蔵庫で作られる氷は白くにごっています。これは家庭の冷蔵庫で作られる氷にたくさんの空気の泡が含まれているからです。空気の泡で光が乱反射するため、かき氷にするまでもなく氷が白く見えるのです。

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2011年11月21日 (月)

色光と水槽を使った全反射と屈折の実験

Reflection and refraction of colored light in water air surface 2, varying incidence angle

なかなか面白い実験です。光に色がついているところがわかりやすくて良いです。

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2011年11月20日 (日)

金属の光沢と色 (金属反射と金属光沢)

■金属と絵の具の色の違い

 京都の金閣寺はまばゆいばかりの黄金色です。金は簡単に言えば黄色をしていますが、絵の具などの黄色とはずいぶん色味が違います。そこで、私たちは金の色を「金色」と金属の名前をつけた色で呼び、普通の黄色とは区別しています。

1

これは金に限らず銀や銅も同じです。銀は白色ですが銀色、銅は赤色ですが銅色と呼びます。逆に金、銀、銅はその色から黄金(コガネ)、白銀(シロガネ)、赤銅(アカガネ)とも呼ばれます。

 白色光をプリズムで分けると光の色の帯が現れますが、その中に金色、銀色、銅色の光はありません。しかし、金属光沢のある黄色い物体は金色に見えます。同様に金属光沢のある白色の物体は銀色に、赤色の物体は銅色に見えます。黄色、白色、赤色の塗料に金属光沢をもつ粉末を混ぜると、金色・銀色・銅色の塗料を作ることができます。

■金属光沢のしくみ

 綺麗に磨いた金属の表面は鏡のようにものを映します。鏡はガラスの裏側に銀やアルミニウムの薄い膜を張り付けたものですから、鏡による光の反射は金属の表面での光の反射と同じです。

 原子は正電荷を帯びた原子核と負電荷を帯びた電子からなります。原子の一番外側にある電子(最外殻電子)は内側の電子より原子核からの引力が弱いため、原子と原子が近づくと特別な働きをします。この最外殻電子を価電子と呼びます。

2

 金属原子はたくさん集まると価電子を放出し、正電荷を帯びた金属イオンとなります。放出された価電子は原子核の束縛から解き放たれて、金属中を自由に移動できるようになります。このように自由に移動できる電子を自由電子といいます。

3

 自由電子は金属中のすべての金属イオンに共有されている状態になります。このように金属イオンと自由電子からなる結合を金属結合と呼びます。金属は金属結合によって、高い電気伝導性と熱伝導性、展性や延性、金属光沢などの金属特有の性質を持ちます。

 金属中の自由電子はプラズマ振動という特異的な振動をします。自由電子がプラズマ振動をする限界の振動数をプラズマ振動数といいます。金属の表面に光があたるとき、光の振動数がプラズマ振動数より小さい場合には、自由電子は光の振動数に従って振動します。このとき、光のエネルギーは自由電子の振動に使われますが、自由電子はもとの光と同じ振動数の光を再放出します。結果的に、光は自由電子に遮断されて金属の中へ入っていくことができず、自由電子によって跳ね返されます。これが金属光沢を生じさせます。

■金属に色がつく理由

 金属の色は光の反射が可視光線のどの波長領域で起こっているかによって決まります。金属が金属光沢をもつのは光が自由電子に跳ね返されるためですが、プラズマ振動数より大きな振動数の光は金属の中に入っていきます。プラズマ振動数は金属の電子密度によって異なるため、金属によって反射する光の波長範囲が変わります。また、金属の中に入った光は原子核に束縛されている電子に吸収されます。原子核に束縛されている電子の状態は金属の種類によって異なるので、吸収される光の波長が異なります。次の図はアルミニウム、金、銀、銅、鉄の紫外線から可視光線領域の光の反射率を示したものです。

4

 

 アルミニウムや銀は可視光線全域の波長の光をよく反射するので表面の色が銀白色になります。銀やアルミニウムが鏡の材料に使われるのはこのためです。金は赤色系と緑色系の光を反射するので黄金色に見えます。銅は赤色系の光をよく反射し、青色系と緑色系の光も反射するため白味を帯びた赤色に見えます。鉄は可視光線全域を反射しますが銀やアルミニウムに比べると反射率が低いため、厳密には灰色がかった金属光沢となりますが見分けるのは難しいでしょう。

 また、金属の色は金属表面の状態によって変わります。金属の表面に酸化皮膜などができると、金属の色味が変わります。

■金属光沢を調べる方法

 ガラスや水面は鏡のように光をよく反射します。これらの反射は一見すると金属による鏡面反射に似ていますが、偏光フィルタを使うとその違いを簡単に見分けることができます。
次の写真はガラスの手前に物体を置いて撮影したものです。左の写真はガラスの表面に物体が映り込んでいますが、偏光フィルタを使った右の写真は物体が映っていません。これはガラスの反射光が偏光しているからです。

Photo

鏡で同じ写真を撮影すると、偏光フィルタを使っても反射光を消すことができません。金属による反射では、自由電子が光を振動方向に関係なく反射するため、反射光が偏光していないからです。偏光フィルタがあれば簡単に確認できますので、機会があったら実験してみましょう。

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2011年11月15日 (火)

鏡はなぜ上下はそのままで左右を逆に映すのか

■鏡の中の世界

 鏡をのぞくと、まるでこちらの世界が鏡の中にそのままあるかのようです。しかし、鏡に映っているものをよく見てみると、上下はそのまま映っているのに、左右が逆に映っていて、とても不思議な感じがします。鏡にものがどのように映るのか、考えてみましょう。

 次の図のように右手に鉛筆を持った自分の姿を鏡に映すと、鏡の中の自分は上下はそのままですが、左手に鉛筆を持っています。ためしに、友だちに自分と向かい合ってもらい、鏡の中の自分と同じ側の手に鉛筆を持ってもらいましょう。友だちは左手に鉛筆を持つことになるはずです。

1

 次に、鏡に「あ」と書いた紙を映してみましょう。「あ」は上下はそのままですが、左右が逆になって読めなくなります。

2

 このように、ものを鏡に映すと、上下はそのままですが、左右は逆に映ります。このことは、鏡に映るもの見たときによく経験すると思います。

■鏡で上下は本当に逆に映らないのか

3 床の上に鏡を置いて、鏡をのぞきこんでみましょう。顔が鏡の中の上の方に映り、天井が下の方に映ります。まるで鏡の中に落ちていきそうな感じがします。次に立った状態で鏡を頭の上の方に置いてのぞいてみましょう。鏡の中で、足が上の方に映り、頭は下の方に映ります。まるで逆立ちしているように見えます。

 このように鏡を使うと、上にあるものを下に映したり、下にあるものを上に映したりすることができます。これは上下が逆に映っているということです。なお、この場合も、自分の右手は鏡の中の自分にとっての左手になっていますので、左右は逆に映っています。

 今度は、鏡の前に立って、鏡に近づいたり、遠ざかってみたりしてみましょう。鏡に近づくと、自分は鏡の中の手前に映り、鏡から遠ざかると、自分は鏡の中の奥に映ります。また、次の図のように3人で鏡の前に縦に並ぶと、一番前に並んでいる人が鏡の中の手前に映り、一番後ろに並んでいる人が鏡の中の奥に映ります。これは前後が逆に映っているということです。なお、この場合も、左右は逆に映っています。

4

 このように、鏡は上下を逆に映したり、前後を逆に映したりします。しかし、よく考えてみると、鏡で上下が逆に映るのと、前後が逆に映るのは、鏡に対してものの置き方が違うだけで、本当は同じことです。

 鏡で上下や前後が逆になるというのは、鏡がものを映す仕組みの本質ではありません。鏡は、鏡から近いところにあるものは鏡の中の手前に映し、鏡から遠いところにあるものは鏡の中の奥に映しているだけなのです。

■鏡は本当に左右を逆に映しているのか

 最初に鏡は左右を逆に映すと確認しましたが、本当に鏡は左右を逆に映していると考えて良いのでしょうか。上下が逆と前後が逆が同じことであったように、左右が逆も違う見方がないか考えてみましょう。

 もう一度、右手に鉛筆を持った自分を鏡に映したときの様子を考えてみましょう。鏡に映った自分の姿を見ると、鏡の右側に映っている手が鉛筆を持っていることがわかるでしょう。なぜなら、鏡の右側に映っている手が自分の右手だからです。同じように鏡の左側に映っている手は自分の左手です。ですから、実際には鏡の中で手は左右が逆に映っているわけではありません。

 鏡が左右を逆にすると考えてしまうのは、鏡の中に映った自分を見て、自分が鏡の中に入ったと考えて、自分の体が左右逆になったと考えてしまうからです。また、鏡に映った「あ」が左右逆になったと考えるのも文字が読めなくなったからで、よく考えると「あ」の左側は鏡の左側に、右側は鏡の右側に映ります。

 これらのことを、よく考えると、鏡は左右を逆に映しているのではなく、左側にあるものは鏡の中の左側に、右側にあるものは鏡の中の右側に映しているだけです。そして、鏡はものを鏡の面に対して逆に映しているだけです。さっそく、確認してみましょう。次の写真は「ふしぎ」と書いた紙を鏡に映したときの様子を撮影したものです。

51

 鏡に映った「ふしぎ」は読めなくなっていますが、紙の上で左側にある「ふ」は鏡の中で左側に映っていますし、紙の上で右側にある「ぎ」は鏡の中で右側に映っています。そして、紙の上の鏡の中の「ふしぎ」は鏡の面に対して逆になっていることがわかります。

まとめてみましょう

  • 鏡は、鏡から近いところにあるものは鏡の中の手前に映し、鏡から遠いところにあるものは鏡の中の奥に映す。
  • 鏡は、鏡の前の左側にあるものは鏡の中の左側に映し、鏡の前の右側にあるものは鏡の中の右側に映す。

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)

2011年10月19日 (水)

雲の色は何色?

■雲の色はいろいろ

 晴れた日の真っ白な雲、曇り空の灰色の雲、今にも大粒の雨が降り出しそうな不気味なほど真っ黒な雲、朝焼け空や夕焼け空のオレンジ色の雲など、空を流れる雲を見ていると、雲の色は実に変化に富んでいることがわかります。

Fig1

■雲の正体はなにか?

 空に浮かぶ雲の正体は細かい水滴や氷の粒です。これらの水滴や氷の粒は、もともとは地上や海上で蒸発した水です。空気は温度が高いほど水蒸気をたくさん含むことができます。暖かい空気は軽いので上空へ昇っていきますが、上空は気圧が低いので膨張します。このとき、空気は外部から熱を与えられない状態で膨張します。空気自身が持つ熱が膨張に使われるので、空気の温度が下がります。空気に含まれる水蒸気は冷やされると気体のままでは存在できなくなり、凝結して細かい水滴や氷の粒になります。これが雲の正体です。

■白色や黒色の雲があるのはどうしてか?

 光は水滴や氷の粒に当たると散乱します。例えば、細かな水滴でできた湯気や細かく砕いた氷粒に、太陽や電灯の光などの白色光が当たると白く見えます。これは白色光が水滴や氷の粒で散乱し、四方八方に乱反射するからです。

 雲が白く見えるのも光が雲の中の水滴や氷で散乱するからです。私たちが普段見ている雲の見え方は、次の図のように2通りあります。雲に当たった光はまず雲で散乱します。その散乱した光は、そのまま雲の中を透過したり、雲の外側に反射したりして私たちの眼に届きます。

Fig2

 まず、雲の中を透過してくる光について考えてみましょう。この場合、雲の中を透過して目に届く光の量によって、雲の色が白く見えたり、黒ずんで見えたりします。空の高いところにできる絹雲などの薄い雲は光を良く通すので白く見えます。一方、雨雲は水や氷の粒が大きく、また雲も分厚いので、雲を透過する光の量が少なくなり黒ずんで見えます。空全体を覆う雲がどんよりとした灰色や黒色になるのは雲を透過してくる光が少ないからです。次に雲の表面で反射してくる光について考えてみましょう。雲の色は、雲に当たる光の量で決まります。例えば、晴れた日は雲に十分に光が当たるため雲は白く見えます。また、晴れた日でも雲が黒ずんで見えることがあります。これは別の雲で太陽光が遮られて雲に当たる光の量が少なくなるためです。

 このように、雲に当たる光の量が少なくなると、雲を透過したり、反射したりする光の量も少なくなるため、雲の色が黒ずんで見えます。雲の色は雲の厚さだけでなく、太陽の方向、他の雲との位置関係によって変わります。そのため、雲の色は明るさの異なる白色と黒色が組み合わさった複雑な色合いとなるのです。

Fig3

■朝焼け空や夕焼け空の雲の色

 朝焼け空や夕焼け空の雲は赤く染まります。日の出や日の入りは太陽の高度が低いため、太陽光が大気中を通る距離が昼間より長くなります。すると、太陽光に含まれる青色系の光が大気中で散乱し、赤色系の光が青色系の光よりもたくさん届くようになります。

 そのため、朝焼けや夕焼けの空に浮かぶ雲は赤く染まって見えるのです。また、空に青空が残っている時間帯では、次の写真のように、赤く染まった雲に空の青色がかぶって幻想的な色合いになります。

Fig4

Image2

■虹のように色づいた雲

次の写真のように雲が虹のように色づいて見えることがあります。これは彩雲(さいうん)と呼ばれる現象で、雲の中の水滴によって光が回折・干渉することによって、雲が虹のように色づいて見えます。CD-ROMでできる虹と同じ原理で色づきます。

Fig5

次の写真は彩雲とよく似ていますが、これは環水平(かんすいへい)アークと呼ばれる現象で、太陽と地表の間にできる水平の虹です。大気中の氷粒がプリズムと同じような働きをして、太陽光を屈折・分散させるために空に虹が生じます。彩雲と似ていますが別の現象です。

Fig6

人気ブログランキングへ

| | コメント (0) | トラックバック (0)