偏光板で遊ぼう④

ミツバチの目は偏光フィルター?


「偏光板であそぼう」の本には興味深いことがたくさんのっている。

太陽光線はさまざまな方向や角度、直進だけではない光線であることはこの「偏光板であそぼう」で説明されている。

そうすれば、「水で反射した光はどんな光だろう?」。
偏光フィルターを通した光のように振動の向きがそろったもの(いいかえれば偏光しているのか)かそうでないのか。
また、ビルのガラスや屋根の瓦で反射した光は「偏光している」のだろうか。
そんな問がこの本にのっている。

答えは書かないでおこう。偏光フィルターはネットでも販売しているし、大阪市科学館のショップや東急ハンズでも売っているので、実際に自分の目で確かめるのが一番いいと思う。

偏光板の吸収方向を知る方法

池の水面を偏光フィルターを通してみてみよう。偏光フィルターの縦と横を動かしてみると、見え方が違うのがわかる。上のほうが明るく、下は少し暗く見える。

 

水面を反射するキラキラ感が違っているのがわかると思う。

こうすると偏光フィルターの効果がわかりやすいだろう。

偏光フィルターの向きが影響していることがわかる。写真の偏光フィルターにマジックで矢印を書き入れてあるが、これがフィルターの向きを表している。

「偏光板であそぼう」には次のような説明がある。

★水面やガラスなど、水平な面を偏光板を通して斜めから見てみます。次に偏光板を回転してみましょう。すると、表面の明るさが変化し、反射光が消える時があります。そのとき、水平方向に振動する光が偏光板で吸収されています。つまり、その時の偏光板の水平方向が吸収方向だとわかります。・・・(略)・・・・

こうして写真見ると、水面に平行な向きがわかる。写真で ←→ で表してある向きが偏光板の吸収方向になっていることになる。

ミツバチはどんな青空を見ているのだろう?

ミツバチの目についての研究が、この「偏光板であそぼう」に紹介されている。

「ミツバチの目は青空の偏光を感じることができる」ことを発見したのは、オーストリア生まれのカール・フォン・フリッシュ(1886〜1982)で、1949年のことだった。1978年にノーベル医学・生理学賞を受賞している人だ。
詳しい研究の様子はこの本に任せるとして、ミツバチの目を体験してみよう。

偏光板を図のように切って、セロテープを貼り付けるだけなので簡単にできる。 しかし、ここで大事なのが「吸収方向」。これを間違えて偏光板を切り抜き、貼り付けつると全く正反対の結果になる。

写真の上のほうが正しい向き。 青空の明るい方向が明るく見える。
ミツバチは、太陽がある明るい青空がわかるのだ。
青空さえあれば、太陽がある方向の明るさが区別できるので、「遠くはなれていても方向がわかる」と言われているのはこうした目だからだ。
絶えず太陽のある方向を感じながら、ミツバチは飛んでいるといえる。

解剖学的にもミツバチの目は偏光を感じるような構造になっているそうだ。
またミツバチだけではなく、大部分の昆虫や節足動物はこのような「偏光を感じる目」を持っているという。
そうしたら「人間の目よりミツバチの目のほうが進化しているのか?」という疑問がわいてくる。もし人間も偏光を感じる目を持っていたら、どんなふうに世界は見えるのだろう。
「偏光板であそぼう」の作者、板倉聖宣さんと田中良明さんはこう書いている。

★目が偏光を感じるということは、「目に入る光のうち半分しかとりいれていない」ということでもある。私たちの目は目に入る光全部を感じるので、ものの形や色をはっきりと見分けるには、この方が能率がいいのである。そのかわり私たちの目は偏光を区別できないというわけである。

春の青空をバックにした桜の花の美しさをミツバチは感じることはできない。

私のブログで紹介している風見鶏さんは、偏光フィルターを活用しているそうだ。それで風見鶏さんの写真の青空は映えているのかもしれない。
青空の美しさを感じる人間の目に感謝しよう。

 

 

 

偏光板で遊ぼう③

前回は左にある本「偏光板であそぼう」をもとにして、「偏光とは?」ということを少し理論的に勉強した(つもり)。

今回はこの本を参考にして工作にチャレンジ。

偏光板にセロテーブをはってみる。
縦・横・斜め、四方八方どんな角度でもいいから貼りまくる。
横断的にはらなくてもいい、適当な長さで、短く切って貼ってもいい。むしろそのほうが面白みがあっていいと思う。

さてこれがどうなるのかというと・・・。

左上の写真が偏光板にセロテープをバチバチにはったもの。無色透明のまま。
それにもう一枚の何も貼っていない偏光板を重ねると、右上の写真のように色が出てくる。偏光板を動かしたり、セロテープを更に貼るとまた変化が出る。

セロテープが引っ張られて伸び縮みしたところが、偏光板のように光の通り方に変化を与えるため、人間の目には色が変わったように見えることからこういう現象になるそうだ。OPPテープでないとだめ、という本もあったが、家にあるセロテープで写真のような見事な結果が出た。

紙コップ2つ用意をし、一つには偏光板にセロテープをはったもの、もう一つは偏光板だけのものを作る。

2つのコップを重ねると、上の写真のように(写真はまだ二つ目のコップに偏光板を貼ってはいない段階だが)鮮やかな色が浮かび上がってくる。
コップに貼って動かすと、万華鏡の出来上がりだ。

この原理を活かした巨大なものが大阪市科学館にある。

向こうの風景が見える普通の窓ガラスが、あるものを通してみると、

色鮮やかなモザイクのような模様が見える。

これは「偏光ステンドグラス」と名付けられているもの。
そこには次のような解説板があった。

小型の偏光板が置いてあり、それを動かして角度を変えていくと色が変わっていくことがわかる。
偏光板の実験の大型版だ。

小さな手持ちできる偏光板を持ってここ、科学館に来ればおもしろいだろうなと思う。科学館1階のショップに私が持っているような大きさの偏光板が売っていた。
なるほど、次回は科学館で偏光板の実験をしてみようかな。

 

 

 

 

偏光板で遊ぼう②

偏光板について読みやすい本を探してみると、左の「偏光板であそぼう」(仮説社 板倉聖宣、田中良明著)が一番良さそうだった。

この本は仮説実験授業の形式を使いながら、読者に偏光板についての知識と理解を深めていくことができる本だ。
 (仮説実験授業については、「仮設社」がホームページを開いており、その説明がある)

さて、偏光板を2枚重ねて1枚をまわしていくと表面が真っ黒になってくることはよく知られている。では3枚ではどうなるのだろう。

このような問題を考える。 選択肢は
予想
ア、真っ黒く見える。
イ、少しは光が見えるようになる。

予想をもって考えていくことがポイント。さてみなさんの予想は?

斜めに重ねると、少し黒くなる。この上にもう1枚偏光板をのせると、

斜めにおいた偏光板の色は2枚のときと変わらず、3枚目においた四角形の、斜めの偏光板以外は真っ黒になった。

これはどう説明すればいいのだろうか?

本文では次のように説明されている。
「まず図のように偏光板Iに入った光を考えると、垂直方向の偏光(OY)だけが通過します。
 その光が、それと45度の角度の偏光板Ⅲに入ると、こんどは偏光の一部(OYのうちのOP分だけ)の偏光が通過します。
 そしてその偏光が偏光板Ⅱに入ることになります。
 ところが、その偏光は偏光板Ⅱと45度しか傾いていないのですから、この偏光の一部も偏光板Ⅱを通過できることになります。
 つまり、最初の偏光板Ⅰを出た偏光は、すぐに偏光板Ⅱに入ると出て来られなくなるはずなのに、二枚目の斜めになった偏光板Ⅲがあるため、その偏光の一部が向きを変えて出てくるので、3枚目の偏光板Ⅱも通過できるようになった、というわけです。」

偏光ってどんなこと?

なんとなく使っている偏光板。その偏光板の偏光とはどういうことなのだろう。

本の解説を私流にまとめてみる。
光のような電磁波は、「進行方向に直角に振動する波」(直角波)と説明されている。 太陽からの光の振動方向はいろいろな方向に振動する。上下、斜め、ぐるぐる回りながらやってくる電磁波もある。図のようにあらゆる方向に振動しながらやってくる。「進行方向に直角」だけでなく、ある特定の方向だけ振動している電磁波もある。このように「偏った方向だけに振動する波」のことを「偏波(へんぱ)」といい、光の場合は「偏った方向だけに振動する光」ということ、「偏光」という。

なるほど、ぐるぐる回りながらやってくる光もあり、あらゆる方向に振動している光から、ある特定の方向に振動する光を抜き出すのが、偏光板というようだ。

二枚の偏光板を重ねた時に、黒くなる現象を次のように説明している。

「図のように<垂直に振動する光>と<水平に振動する光>が混じった光が二枚の直行した偏光板を通るとします。もしも一枚目の偏光板が(図のように)<水平振動の光だけを吸収する向き>に置いてあると、そこを通過できるのは<垂直振動の光>だけです。つぎにその光が、縦向きに置いた偏光板に入るようにすると、その光の全部が通過できなくなってしまいます。
 このように、二枚の偏光板を直角に置くと、一枚目の偏光板を通り抜けた光は、二枚目の偏光板を通過できなくなるわけです。そこでどんな光もほとんど通さなくなるので、真っ黒に見えるようになるのです。」

そうか、光は吸収されることによって見えなくなってしまうのだな。
すべての光が吸収されてしまうと、人間には真っ黒に見えるわけなのか。
説得力のある説明だと思う。

おや? ちょっとこの説明は?、と思う人もいると思う。
これまでの説明の多くは次のようなものだった。

この絵を見ていると、格子の向きに沿って光の波がすり抜けていくようにみえる。
光の振動方向と直角の格子は、光を通さない。それがこれまでの説明だった。

ところがこの「偏光板であそぼう」ではそういった説明ではない。
「格子と同じ向きの光の成分を吸収し、それと直角の成分だけを通す」と説明している。これまでと逆の説明になっている。
実験的にはこの説明が正しいそうだ。ただこの実験結果が出る前に、上の囲みのような説明が流布していたため、それが現在も広く行き渡ってしまっていることになった。それは「電流はマイナス電荷の電子がプラスに向かって動いているのだが、説明としてはプラスからマイナスに電流は流れる」と教科書にものっているのと同じだ、とこの本で解説されている。

なるほど、この「偏光板で遊ぼう」は偏光についての最新の知識を紹介しているわけだ。

さて、今回は理論編のようになってしまった。次回はまた工作をしてみようと思う。

 

 

 

 

 

偏光板で遊ぼう①

偏光板を使った工作が面白かったので、紹介してみたい。

そもそものきっかけは、昨年のキッズブラザでの、子ども向けの体験講座である。その様子は以前にブログで取り上げた(「10月23日は化学の日」)。
そこで偏光板を使った万華鏡づくりが私の一番の興味をひきつけたものだ。
その時、スタッフの人が、「偏光板は東急ハンズで売ってますよ。そんなに高いものではありません」と言っていたことを覚えていた。

そこで東急ハンズに行ってみると、たしかに「偏光板」が売られていた。
図書館で「偏光板を使った工作の本」をさがすと、いくつか見つかった。
今回は左上の本に乗っていた「ブラックウォールボックス」を作ってみた。(参考にした本は、「主婦の友社 自由研究にもぴったり! 東工大サイエンステクノの理科脳を育てる工作教室」)

写真で見るだけでも面白そうではないか。

材料は
偏光板、工作用紙、セロテープ、はさみ、など。

偏光板は私たちの身のまわりで多く使われている。
その代表的なのが、パソコンの液晶ディスプレイ。
またカメラに使う偏光レンズや、眼鏡にも使われている。

この三枚の写真は、ブログ作成中のディスプレイに偏光板をセロテープで貼り付けてみたもの。
偏光板を回転すると、最初透明だった偏光板が灰色になり、真っ黒になった。すなわち偏光板を回転することによって、液晶ディスプレイからの光を通したり、完全にカットする様子がこれでわかると思う。

設計図に従って工作用紙を切り抜き、偏光板を貼る。

長い辺だけをセロテーブで止め、短い二つの辺の部分は開けておく。

真ん中に黒い壁のようなものが見える。鉛筆を近づけてみよう。

おお、鉛筆が通り抜けたではないか。

これは箱の向きを変えて、上から鉛筆を突き刺すようにした所。

真横から見ると、左上の写真のように、箱の中に黒い壁があるわけではない。しかし見る位置を変えるに従って、真ん中に黒い壁のようなものが見えてくる。これが偏光板の面白さだ。

この大型が名古屋の「電気文化会館・でんきの科学館」にある。

どうしてありもしないところに黒い壁があるようにみえるのだろう。
もう少し、偏光板の工作をしながら考えてみよう。

 

 

 

10月23日は化学の日



台風が来ているのに、この行列。実験の参加券を確保するために車で来たが、朝9時半にはもう行列が待っていた。
キッズプラザで「化学の日 子ども化学実験ショー 化学ってこんなにおもしろい」というイベントがあった。

20もの実験が用意されていて、しかも無料。
キッズプラザは入場料が高いのでそんなに来れるところではない。しかし今日は入場料が無料。並んでいると
「今日は無料なの?!」と驚きの声が聞こえる。化学の日のことは知らないようだ。
「どの実験をするの?」と実験目あての子どもたちがいた。

いろんな企業や教育関係の組織が計画した実験がたくさんある。しかも入館料も実験の費用も無料で、幼児から小学校高学年まで楽しめるというのだから、親としてはたまらなくうれしいのだろう。私は二人の孫と家族で参加した。

なぜ10月23日が化学の日?

キッズプラザでもらった資料の「林修先生の特別授業」にその説明があった。

Q どうして10月23日が「化学の日」なの?

A 1モル(物質の基本単位)の物質中の粒子の数が
  6.02X100000000000000000000000(10の23乗)だからです。

高校の化学で「モル」ってならったなあ。すっかり忘れていた。
6.02✕10の23乗って、アボガドロ定数でならったことはうっすらと覚えている。
私にはうまく説明できないので、ウィキペディア等で調べることをおすすめする。
とにかく10の23乗だから、10月23日というのは覚えやすい。でも今年までこのようなイベントが全国的に開かれているとは全く知らなかった。

子どもたちが白衣を着てかっこいいじゃありませんか。 ここは人気があって、お昼からの整理券待ちなのであきらめる。孫たちが実験したものの幾つかをここで紹介してみよう。

「色が消える?消えない? インクの不思議」というコーナーで、学校関係の企画のようだ。 二種類のカラーペン(普通のサインペンとフリクションのペン)で好きな絵を書いて、熱してみたり冷やしてみたりすると絵はどうなるか?という実験だった。

アイロンで熱すると、二種類のカラーペンのうち、一種類の色が消えてしまう。
フリクションのペンは60度の熱で色が消えるそうだ。
冷却スプレーをかけるともとの色に戻るという化学実験だった。

ここはホワイトボードに「光のしくみ」「偏光板」などと本格的な説明が書いてある。 実験工作は、偏光板を使った万華鏡づくりだった。

 

企業からきているスタッフの人は、若い人が多かった。若いお兄さんやお姉さんのほうが、子どもたちにとっては親しみやすかったのかもしれない。

これだけの筒と偏光板などが無料で提供されるとは。
右がのぞいたところ。予想を超えているんな色、しかも綺麗な色の重なりが見える。
立派な万華鏡だ。説明によると、偏光板に角度を変えて貼り付けたセロテープが、光の動きに変化をあたえ、そこを通り抜けた色が見えている。セロテープを重ねて角度を変えて貼ると、いろんな色が見えるというわけだ。

実験の後は館内の体験やお店やさんで遊ぶことができた。

お腹が減ったという顔をしているので時計をみると、時間はもうお昼をすぎていた。3時間近く楽しむことができた。小さな子どもたちにとって十分すぎるぐらいの時間だ。
「遊んで学べるこどものための博物館」、それがキッズプラザ大阪のキャッチフレーズのようだ。1階に降りてくると、まだ入場の列が並んでいた。台風で強い雨なのに、これだけ集まってくるのかと驚いてしまう。
こういった取り組みは本当にありがたい。「理科好きになってね」とスタッフの女性の人が孫に話しかけていたとあとで聞いた。企業も力を注いでいるようだ。その受け皿の家庭や教育機関の役割が大きいなあと思った。