高槻天神先生のブログ

学研JR高槻前天神教室で行っている科学実験教室のブログです
基本、毎月第4土曜日に教室を開いています


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今日は、光のふしぎ実験の2回目でした。


最初は、ピンホールカメラの実験セットに入っている2枚のレンズを使って望遠鏡の実験をします。
分厚い方のレンズを目の前に置いて、薄い方のレンズを向こう側に持って覗くと遠くの景色が

少し大きく見えます。
これは400年ほど前にドイツ人のケプラーが発明した、ケプラー式望遠鏡と同じ原理です。
今度は友達の厚いレンズを借りて、手前の厚いレンズを2枚重ねにすると、さっきより大きく見えます。
レンズの組合せを逆にして手前を薄いレンズ向こう側を厚いレンズにすると、今度は小さく見えることも

確認できました。
この望遠鏡の倍率は、向こう側のレンズ(対物レンズ)の焦点距離を手前のレンズ(接眼レンズ)
の焦点距離で割った値となります。


次は、CD盤を使ってまん丸の虹を見てみましょう。
ろうそくの光やLEDの光をCD盤にあててみると、角度をうまく合わせるとまん丸の虹が見えます。
写真ではうまく撮れなくて虹の一部しか映っていませんが、本当にきれいなまん丸の虹が見えました。



今度は、プリズムを使って虹を見ました。
プリズムの平らな面を上にして持って、蛍光灯を見ると蛍光灯が虹のようにいろいろな色に見えます。
プリズムで光が屈折するので、写真のようにちょっと下の方を見る感じで、天井の蛍光灯が見えます。



虹は、赤橙黄緑青藍紫(せきとうおうりょくせいらんし)の7色です。
赤の外側には赤外線、紫の外側は紫外線という見えない色もあります。


同じくプリズムを通して、白、青、緑、赤のLEDの光を見ます。
実際には4つのLEDは真横に並んでいるのに、プリズムを通してみると、青の光は一番低く、
続いて緑、赤の光は一番高いところに見えます。
白の光は、赤、緑、青の光に分かれて縦に3つに見えます。
色によってプリズムを通るときの曲がり具合(屈折率)が違うことが分かりました。



(プリズムを通してみると下のように見えます。)

次は透明なビー玉を使って、パソコンのディスプレイを見ました。
ビー玉も立派な凸レンズです。



ディスプレイにビー玉を当てて見てみると、3つの色の帯のようなものが見えます。
ディスプレイは3つの色(赤、緑、青)ですべての色を作っています。
今のディスプレイは、赤、青、緑を256段階で表現しているので、256×256×256
の1670万色を表現できるようになっています。




「光の3原色(レッド、グリーン、ブルー)」と「色の3原色(マゼンタ、シアン、イエロー)」
についても勉強しましたが、わかってくれたかな?
光と色は裏表の関係にあります。
黄色の絵の具が黄色く見えるのは、青い色を吸収するものでできているので、赤と緑の色だけを
反射するから黄色く見えるのですね。




次は色の足し算です。
赤、青、緑のLEDの光が重なるように紙にあてます。
途中に鉛筆を立てると、鉛筆の位置でいろいろな色ができることが分かります。
一つの色だけを通さない位置に鉛筆を置くと、シアン、マゼンタ、イエローの三色の帯を作ること
ができます。




最後はブラックライトを使って、光るものをいろいろ見てみました。
ブラックライトは紫外線を出すライトです。
明るく光っていないのに目に見えない紫外線を出しています。
食品の中には紫外線があたると光るものがあります。
リポビタンDなどのビタミンBの入っているものは、よく光ります。




カレーをペーパタオルに塗ったものも光りました。
洗濯洗剤を溶かしたものは、白色なのにブラックライトをあてると青く光ります。




木綿は汚れがなくても黄ばんできます。

黄色に青をあてると白になることを利用して、白を際立てるために紫外線で青く光るものが混ぜられているのですね。


食品以外にも郵便局から届いたはがきや封筒には見えないバーコードが書かれています。
ブラックライトをあてると赤いバーコードが光って見えます。




お札も偽造防止に紫外線で光るハンコが押されていますし、VISAのカードも
ブラックライトをあてるとVのマークが現れてきます。



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今日は、光のふしぎ実験の1回目でした。


最初は、水がレンズになる実験です。
透明の半球容器に少し水を入れて、上からのぞいてみると文字や指が大きく見えます。

水の入った入る部分が凸(とつ)レンズになっているのが分かります。


今度は立って、この水の入った半球で自分の足を見てみると、
向こう側から足が見えます。




右足を動かすと左側の足が動いて見えますね。
前後左右が逆に見えます。

今度は天井の蛍光灯をこの凸レンズで机に映します。
机との距離を調節するとくっきり見えます。


このように凸レンズは、物を大きく見せること、逆さに見えること、画像として物を
映し出すことができることが分かりました。


次はこの透明半球を使って、凹(おう)レンズを作ってみましょう。
四角い透明ケースに水を入れて、上から透明半球を置きます。



これで文字をのぞいてみると小さく見えるのが分かります。



凸レンズは虫めがねや、老眼鏡に使われています。
凹レンズは近視のめがねに使われています。


今度は透明コップもレンズになることを実験で確かめてみましょう。

透明コップに水を入れて一人の生徒に左から右に動いてもらいます。
他の生徒はコップ越しにその動きを観察しました。
すると、コップの中では右から左に生徒が動いていくのが見えます。
上下は逆さにはなっていませんが、左右は逆さに映ることが分かります。


透明ビンも水を入れると凸レンズになります。
ビンに水を一杯に入れて横向きにして文字を見てみました。
確かに大きく見えます。



同じビンを使って凹レンズも作ってみます。
ビンの水を少し流して、ビンの中に空気を入れます。
そうするとビンの中の空気の部分を通して文字を見ると小さく見えるのが分かります。





ビンに透明な液体が入っているとレンズになることを利用して、
お酒の「ワンカップ大関」はラベルの裏側に絵や文字が書いてあって大きく見えるように
なっています。
お酒の入ったのと空のビンとを見比べてみました。




透明コップを使って光の進み方を見てみました。
赤、緑、青の光の三原色を出すLEDの装置を使ってコップの水の中に光を通して見ます。
するとコップの向こう側では、赤、緑、青の並びが逆になっているのが分かります。




コップの水に牛乳を数滴入れて、光の通り道を見てみました、コップの両側の曲面で
光が曲がっていることがよくわかりました。


最後は、実験セットのピンホールカメラを組み立てていろいろな実験をしました。
ピンホールカメラでも3色のLED装置を見ると、並びが逆になっているのが分かります。
天井の蛍光灯もよく見えました。
穴の大きさもいろいろあるのでどう違うか確認しました。
また、2つ穴、3つ穴のプレートにかえるとおもしろい映像になることも分かりました。



この実験セットでは針あなをレンズにかえることもできますので、レンズに変えて周りの
景色を見ました。
ピンホールの時よりもくっきりと景色を見ることができます。
レンズの場合は取り入れる光の量が針あなの時より多いので焦点を合わせると
くっきりと景色を映すことができます。




映る像は上下左右がさかさまになっていますね。

レンズも薄いレンズと分厚いレンズと入れ替えてみてみると、焦点距離(内側の筒の位置)
が変わることもよくわかりました。




この実験セットではいろいろなことを試してみられるので、ワイワイガヤガヤと楽しい実験教室になりました。
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今日は、視覚のふしぎ実験の2日目でした。


最初は、「床や壁が動き出す」という実験をします。
どうしたら、床や壁が動くのでしょうか?

まず、自転車の車輪で作った回転装置にグルグル渦巻のシートをセットします。




この回転装置で回して、みんなで20まで数えながら、渦巻の渦を見つめます。
20まで数えたら、壁や天井を見ると、なんか変な風にモゴモゴ動いて見えます。
つぎは、20まで数えて渦巻きを見た後に、自分の手のひらを見ると手のひらがふわふわ動いています。


回転し続けるものを見続けると、目が回転を静止させて見ようとするため、目の感覚がおかしく
なっていて、そのあとに静止しているものを見ると逆に動いているように見えてしまうようです。


同じ回転装置を使って、みんなで渦巻き描きに挑戦。
土台の紙が回転するのでフェルトペンをまっすぐ引くと(直線を描くと)きれいに渦巻きを書くことができます。
渦巻きなのでペンをグルグル回してしまいそうですが、まっすぐに引くだけできれいに描けるのです。



今書いた渦巻きを20まで数えてながめた後、壁を見ましたが、先ほどの渦巻きを見た時ほどは
動きませんでした。
グルグル渦巻の威力がやっぱり弱かったようです。


今度は「ベンハムのコマ」の実験です。
回転装置を使って、写真のような図形をグルグル回すと白と黒の図形なのにいろんな色が見えます。

写真では止まって写っていますがカラフルな色が見えるので不思議です。




小さなベンハムのコマも作ってきたので、みんなで回して色を見ました。



自分たちでベンハムのコマも作りました。
10cmの正方形の工作紙に思い思いの絵をマジックで書いて、回してみます。
どんな模様でもいいですが、適当なほどいいようです。
規則正しい模様よりもぐちゃぐちゃな方が、色がよく出るような気がします。



どうしてこのように色が見えるのか、よくわかっていないようですが、
白い色は赤、青、緑の光の三原色が重なった色です。

白と黒が点滅するようなコマの場合、色が分解されて目に入ってくるのでしょうか?

人の目は赤、青、緑の色にに対して、その色を感じるのに時間のずれがあるようです。
そのために赤と青を先に感じると黄色に見え、青と緑を先に感じると空色に感じるなど
目の神経の感じ方でいろいろな色が見えるようです。


次は、実験セットのスリットを使って、回転する文字を読んでみましょう。
回転装置に写真のようなシートを置いて回します。




写真では止まって見えるので文字が読めますが、回転している時は肉眼では絶対に読めません。
でも実験セットのスリットを回して見てみるとちゃんと文字が読めます。
スリットを回す速度によって文字がゆっくりと右回りとか左回りに回りながらですがちゃんと読めます。

回転の速度をうまく合わせれば、止まった状態で読むこともできます。
これが「ストロボ効果」というものです。


プラコップから落ちる水もこのスリットを使って見てみると、水流に見えているのが実は水滴であることがよくわかります。
(落下する水は落ちるにしたがって速度が上がるので、つながっていた水が水滴に変わっていきます。だから、落ちる水の下の方を見ると、水滴になっているのがはっきりと観察できました。)



まぼろしの炎を見よう。では黒い紙を巻いたコップの中にろうそくを入れます。
するとコップの側面に炎のまぼろしを見ることができます。
虚像ですね。




同じような原理で、テントウムシが宙に浮いて見えるおもちゃやレードルを使って幻のフクロウも観察しました。





最後は蜃気楼の実験です。

蜃気楼は対岸の景色が海の上などに浮かんでいるように見えるなどの現象です。

蜃気楼の再現はむつかしいですが、原理となる、景色がゆがむことの実験をしてみましょう。
蜃気楼は空気の温度差によっておこる現象ですが。実験では空気の代わりに真水と食塩水を使います。
食塩水は真水よりも重いので水槽の下にたまります。
この食塩水と真水の境のところでは向こうの景色が歪んで見えます。

先生の方から見ると変な形の生徒たちが見えました。










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今日は、視覚のふしぎ実験の一日目でした。


まずは、自分の目がどうなっているかよく観察してみましょう。
白目と黒目(瞳)がありますが、瞳の部分もよく見ると瞳孔と虹彩からなっています。
虹彩の部分もひだ状になっている部分とそうでない部分からなっています。
鏡にルーペを重ねて自分の目を大きく拡大してみます。


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見ている時に顔にライトをあてると、瞳孔がシュッと小さくなることも観察できました。
目の仕組みとカメラの仕組みが同じようになっていることも勉強できました。


つぎは、小さな穴がめがねになる実験です。
厚紙に小さな穴を三種類あけています。


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この穴を通して、小さな文字を見てみます。
裸眼ではぼんやりして読めない字でもこの穴を通してみてみると、よく読めることが
わかります。

三種類の穴では一番小さな穴が最も近づいてもよく見えました。
めがねをかけている生徒もめがねなしでこの穴を通して文字が読めました。
小さな穴で光が集約されるので焦点が合いやすくなるわけです。
「ピンホール現象」といわれるものです。
目を細めると遠くがよく見えるのも同じですね。
両手の親指と人差し指で小さな隙間を作ってその穴を通してみても同じようにできます。

ピンホールめがねというものが、目のトレーニング用として100円ショップでも
売られています。


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次は、目の盲点を確かめてみましょう。
コイン2枚を10cm位離してテーブルに置きます。
右目を隠して左目で右側のコインの真上から見つめながらゆっくり顔を上げていきます。
するとあるところで左側のコインが消えるところがあります。
すぐに「消えた」という生徒となかなか消えない生徒がいましたが、要領がわかると
できるようになります。


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目には視神経が集まっているところがあって、そこが盲点といわれて光を感じない部分が一点だけ

あります。
今度は、写真のような紙を使って、左側にコインを置いて左のコインを右目で見ながら
先ほどの要領で顔を上げていきます。


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右側の白い○が盲点に入った時どのように見えるでしょうか。
白い○が消えた時、全体が黒の丸になります。
見えないものがあるかのように見えるのは、脳が周りの色と同じように見えているかのように
作り上げているのですね。


コインが増えるマジックでは、2枚のコインが3枚に見えます。
親指とひとさし指で2枚のコインをはさんで左右に動かすと3枚に見えるから不思議です。
コインは動いている間は見えにくく止まった瞬間は見えやすくなります。
止まった時の残像が頭の中に残っているので3枚に見えてしまうのですね。
この残像現象を利用した手品です。


170年以上前に発明された方式でアニメーションを見てみましょう。
自転車の車輪を使った回転装置でスリットを通して反対側にある絵を見てみます。
馬が走ったり、骸骨が踊ったりするのがよく見えました。


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最後は実験セットを使って、自分たちで同じような昔のアニメを作って動かしてみました。


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今日は回転運動びっくり実験の2回目でした。


最初は、ふしぎゴマです。
ふつう、コマは回っている時に軸を傾けると、首ふり運動をします。
このふしぎゴマは、傾いたまま首を振らずに静止した姿勢で回り続けるコマです。
イギリスのマックスウェルという有名な科学者が研究したコマなので、マックスウェルの
コマといいます。
材料はロートと鉛筆と鉛筆をロートに挟むティッシュペーパーです。
ロートに鉛筆を刺してコマの重心を調整します。
鉛筆の先よりコマの重心が上だと右回りに首ふりをします。
鉛筆の先よりコマの重心が下だと逆に回ります。
重心を調整して、鉛筆の芯の先がちょうどコマの重心になった時、傾いて回っているのに
右にも左にも首ふりをせず、じっと傾いた状態で回り続けます。


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この時、鉛筆は常に一方向を指しているので、コマを持ったままぐるりと体を
一回転させても鉛筆は常に同じ方向を指しています。

北極星に向けて回り続けるこのコマを宇宙船に積んで宇宙に行けば、
常に北極星を指しているので宇宙船の操縦の指針になるわけです。


次は、おかしな回転体、ラトルバック。
石器時代から存在していたともいわれています。
石器時代の石斧の一種が不思議な動きをすることで、セルツ(斧)とかケルト人の石という意味で、

ケルト石などと呼ばれていたようです。
ふしぎな動きをする石で、時計回りにくるくる回して、しばらくすると止まりかけるのですが、
がたがたを揺れたと思うと逆回りに回り始めます。

これをスタンプのつまみと鉛筆で作ります。
つまみの中心線に真ん中を合わせて、20~30°ほど交差させて鉛筆をセロハンテープではり付けます。
これで出来上がり。
右回りで回すとしばらくして止まった後、少しだけ逆回りをしました。

同じようなものをいろいろ作ってみました。


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100円ショップで買ってきたスプーンを使って、柄の部分を折ってはがして、斜めにつけたものや

同じく100円ショップで買ってきたプラスチック製のトングの先の部分に中心をずらして
ナットを重り代わりにセロハンテープで付けたものなどです。

どれも時計回りに回った後、がたがたと揺れて逆回転を始めます。

この形は、回さなくても上下に振動させると、回りだす不思議な形です。
振動が回転に変わる形をしているのです。
ラトルとは「ガタガタという振動音」のこと、「ラトルバック」はがたがた振動して逆回りをするという

意味で付けられた名のようです。


次は、おむすび車輪です。
おむすびのような形をした車輪(コロ)を三個作りました。
この上に板を置いて転がすとがたがたせずにスムースに板を転がすことができます。

このおむすび三角形は正三角形の一辺を半径とする3つの円弧でできています。
床からの距離が常に同じ長さで転がることができます。

この三角形を長方形の枠の中で動かしてみると常に上の辺と下の辺にぴったりくっつて
おむすび三角形が転がることが分かります。


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また正方形の中で回すと常にどこかの辺にくっついて、おむすび三角形が正方形の中を回ります。

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この形はルーローの三角形といわれるもので、今は作られなくなってしまいましたが
ロータリーエンジンの中の三角形の形です。


次は、回転で起こる事象について実験です。
コップの中の水は落ちるかな?
プラコップに紐をつけて、コップに3分の1ほど水を入れます。
このコップを回転させると、コップの水はどうなるでしょう?
コップが真上に来たとき、中の水がこぼれるかな?
これはみんなよく知っていましたね。
水は、こぼれません。
どうしてですか?の質問に「遠心力」という答が返ってきました。
そのとおり。
回転により、遠心力という力が働くのでコップの中の水は、コップの底に貼りついていますね。


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失敗してびしょ濡れになったら大変なので、みんなは、ペットボトルに水を入れたものを
回して確認しました。


ドーナツ型宇宙ステーションの実験もしました。
ドーナツ型宇宙ステーションは、ロケットの父フォンブラウンが1952年ごろに構想を示している

宇宙ステーションです。
先生も子供のころ雑誌でよく見た憧れの宇宙ステーションです。

ドーナツ型宇宙ステーションは、無重力状態の宇宙において、回転による遠心力で地球上と同じ重力を

作るという構想です。
(でも実際にはあまりにも構想が大きすぎて実現はしていませんね。なにしろ直径1Km近いドーナツ型の

構造物を宇宙上に造るのですから)


これに関連して、前回使った車輪を使った回転装置で実験をします。
この車輪の上にプラコップをセロハンテープでくっつけて、中でろうそくに火をつけます。
この車輪を回すと、ろうそくの炎はどちらに向くでしょうか?
遠心力が働くので、炎は外に向くように思えますね。

ところが、炎は内側に向いていました。


ドーナツ型宇宙ステーションでは遠心力による人工重力により中にいる人は
回転の中心が真上、ドーナツの外側が床になるように人は横向きに立つことになります。
炎は上昇気流により上に向かうことを考えると、ドーナツ型宇宙船の中では
上(つまり中心)に炎が向くことが分かります。


目でも確認できましたが、炎が内側に向いていた証拠には、プラコップの内側に

熱で穴が開いていたことではっきりわかりました。


他にも5円玉を通り抜けるおはじきや50円玉のマジック(実験)もやりました。
ペットボトルの口の上に置いた5円玉をおはじき(50円玉)が通り抜ける実験です。
5円玉の小さな穴をおはじきが通り抜けた?
最初は紙の筒をかぶせてやった後、種明かしで透明の筒をかぶせて行いました。


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わかってしまえば、な~んだ。というマジックですが、結構うけるマジックだと思います。


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