ウェーブマシンを使って、パルス波が固定端で反射する様子を撮影したビデオです。自由端での反射の場合と比較してみて下さい。
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ウェーブマシンを使って、パルス波が自由端で反射する様子を撮影したビデオです。固定端での反射の場合と比較してみて下さい。
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| ウェーブマシンを使って、山と山のパルス波が重なり合う様子を撮影したビデオです。 （スロー再生の部分では、画像編集をして、合成波が重ね合わせの原理に基づいて形成されているかどうかを検証することができます。）
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| ウェーブマシンを使って、山と谷のパルス波が重なり合う様子を撮影したビデオです。 （スロー再生の部分では、画像編集をして、合成波が重ね合わせの原理に基づいて形成されているかどうかを検証することができます。）
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ウェーブマシンを使って、入射する正弦波の波長が異なるとき、発生する定常波にどのような共通点や相違点が見られるかを考えてみてください。
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| 水面を伝わる波が，画面左上に置かれた障害物で反射される様子を撮影したものです。 初めにパルス波を発生させたときの反射の様子，次いで連続波を発生させたときの反射の様子を順にご覧ください。 |
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| 画面左上の水中に，厚さ10mmのアクリル板を沈めて波が伝わる様子を撮影したものです。 水面を伝わる波には，水深が深いところでは速く，浅いところではゆっくりと伝わるという性質がありますので，沈めたアクリル板との境界のところで波が屈折する様子をご覧ください。 |
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| 害物を置いて単スリットを作り，水面を伝わる波が回折する様子を撮影したものです。スリット幅同じである場合，波長の違いによって，回折の程度にどのような違いが生じるかをご覧ください。 |
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| 障害物を置いて単スリットを作り，水面を伝わる波が回折する様子を撮影したものです。波長が同じである場合，スリット幅の違いによって，回折の程度にどのような違いが生じるかをご覧ください。 |
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| 水面の２点で発生した波が，互いに重なり合って干渉を起こすときの様子を撮影したものです。振動数の違いによって干渉の様子にどのような変化があるか。また，波源がそういそうで振動している場合と逆位相の場合とではどのような違いがをご覧ください。
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| ３の項目では単スリットでの回折を，４の項目では実質的に複スリットでの回折波の干渉の様子を見ていることになります。では，多数のスリットで回折した波が干渉するとどのようになるのでしょうか？ その疑問を解明するために，20mm間隔と10mm間隔の２種類の多スリットに波を入射したときの様子をご覧ください。 |
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| 2007年8月に開催された青少年のための科学の祭典（大阪大会）のブース展示で，パラボラアンテナのはたらきを説明するため，発泡スチロールとステンレスの薄板を使って製作した装置です。鏡面状のステンレスを用いていますので，白濁液を満たしてレーザー光を入射すると，入射線と反射線の様子を見ることができます。 １． ２． ３． ４． |
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| 私たちが普段生活をしている環境は，1,000hPa程度の大気圧ですが，もしも大気圧がもっと低くなったなら，身の回りで起こっている現象にどのような変化が現れるでしょうか？ 排気盤と真空鐘（排気鐘）で仕切られた空間の中に真空鈴と呼ばれるベルを入れ，真空ポンプを使って中の空気を抜いた状態から，徐々に空気を導入していく過程を撮影してみました。頭の中では空気が薄くなると音が伝わりにくくなることを知っている人でも，実際にその現象が目の前で起こると，新鮮な驚きがあると思います。 今回は，内部の空気がなくなった場合でも，固体を通じて音波が伝わることを確認できるように，真空鈴を排気盤の上に直接置いて実験をしました。 （真空鈴を糸で宙吊りにするか，または，スポンジや制振ゴムの上に置けば，音波の固体伝導の要素を排除することができます。） 真空鈴が手元にない場合は，圧電ブザーを利用すれば良いと思います。同じ実験映像ですが，短いものと長いものを２種類用意しました。必要に応じて選んでください。 |
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| この項目でご紹介する映像は，私が顧問をしている清風学園の数学･物理研究会の部員と共に製作したもので，2007年度大阪府学生科学賞において，最優秀賞「大阪科学技術センター賞」を受賞した研究内容を，発展させたものです。 特定の条件下で，気柱に生じている音波の定常波の状態を可視化する試みは，クントの実験に代表されるように，古くから行われていました。 共鳴管内に細かい発泡スチロール球を入れ，音波の定常波の様子を可視化する方法が広く知られていますが，変化が緩慢であったり，球が管の底部のみに分布して近くからでないと観察できないなど，幾つかの不都合な点がありました。 このような問題が生じないように，試行錯誤を繰り返しながら観測方法を模索していくうちに，フォグマシンで発生させた霧を共鳴管内に導入し，霧の濃淡によって定常波の節や腹の位置を特定する方法を考えました。 その後，大阪府高等学校理科教育研究会・物理研究委員会において研究委員の先生から頂戴したアドバイスを反映させて，細く切った“あぶらとり紙（GATSBY製）”を共鳴装置内につり下げ，紙片の動きで空気の振動状態がわかるように，装置に改良を加えました。 |
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| ３つある振り子のうち、２つの振り子を同じ長さにして一方を振らせると、いったいどのような現象が起きるでしょうか？ 振り子には、それぞれに最も振れやすい振動数があり、この振動数は固有振動数と呼ばれています。固有振動数はが長さや重力加速度の大きさにだけによって固有に決まるという性質がありますので、この性質をヒントにして予測を立ててから映像で確認してみて下さい。 （振り子をつるしている黒い棒は、両端を短いひもで実験スタンドにつり下げてあります。もし黒い棒がガッチリと動かないように固定してあったなら、どのようななるでしょうか？ 映像を見終わってから考えてみて下さい。） |
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| 実験に用いられるおんさは，およそ400Hz程度の振動数で振動していますので，自然光や蛍光灯照明の下では動きが速すぎて肉眼で観察することは困難です。しかし，ストロボスコープと呼ばれる周期的に閃光を発する装置を使って，発光する周期を適当に調整すると，早い周期で運動する物体の動きを観察することができます。 この項目でご紹介する映像は，前半が３０フレーム毎秒のフレームレートで撮影した映像，後半は前半が６０フレーム毎秒のフレームレートで撮影した映像です。意外と振動するおんさの振幅が大きいことがわかると思います。 |
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| 振動数がわずかに異なる発音体からの音を同時に聞くと，周期的に音の大きさが変動する「うなり」と呼ばれる現象を観測することができます。 １対のおんさの内の一方にクリップを取りつけると，クリップを付けた方のおんさはわずかに慣性が大きくなるので振動数が低くなります。ここで紹介するビデオは，クリップを付けたおんさと付けていないおんさを同時に振動させて，うなりを発生ときのものです。 |
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| 音の発生を伴う共振現象を共鳴といいます。おんさをたたくとおんさからの微弱な振動が共鳴箱に伝わり，更に共鳴箱の振動のエネルギーが共鳴箱内の気柱に蓄積されて大きな振幅の定常波が発生します。その結果，観測者の耳に大きな音が聞こえるのですが，この一連の現象自体が共鳴と呼べる現象です。 ここで紹介するビデオは，１対のおんさを向かい合うようにして置き，一方のおんさだけをたたくと「おんさ→共鳴箱→空気→もう一方の共鳴箱→もう一方のおんさ」の順に共振現象が起こるということを確かめるための実験です。初めにたたいた方のおんさを取り除いた後も，もう一つの方のおんさから音が聞こえることで上記の現象が起きていることが確認できます。 （撮影の都合で共鳴箱を接近させて実験をしましたが，共鳴箱長さの２倍だけ離して置くと，よりはっきりと共鳴現象を確認することができます。） |
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パラボラアンテナの曲面は放物線を軸を中心に回転させたときに得られる放物面になっています。放物面には焦点と呼ばれる固有の点があり，図１のように，焦点から放物面に向けて放射された電磁波は，放物面で反射されると平行に進みます。この平行に進む（＝強さが変わらない）という性質を利用すると，エネルギーが弱まることなく遠くまで電磁波を伝えることができます。パラボラアンテナを送信目的で利用する場合は，このような性質を利用して送信をしているわけです。 一方，遠方から送られてきた電磁波を受信する場合，送信時とは逆に，図２のように放物面を適切な角度に設置して，平行に伝わってきた電磁波を放物面の焦点に集めているわけです。 レンズを使っても同様のことができるように思えますが，周波数によって屈折率が異なるため，電磁波の送受信には適していません。この項目でご紹介する実験は，大阪市立大学 大学院 理学研究科 物質科学科の村田恵三教授から原案の提供，ご助言ならびに機材提供を得て行ったものです。村田恵三先生のご厚意に対してこの場をお借りして，お礼申し上げます。 １．太陽が雲間に隠れていなければ，パラボラアンテナ（効率よく可視光を反射するように，放物面にアルミ箔を貼り付けています）で容易に火を起こすことができます。遠く離れているのに，これ程多くのエネルギーを地表に届けることができるとは・・・。太陽が発するエネルギーは桁違いの膨大さですね！ ２．室内でも電磁波の送受信の仕組みを直観できるように，１の項目で使用したパラボラアンテナの焦点の位置に，強力なハロゲンランプ（ウシオライティング（株）製JCD100V-1200WC）を設置し，電磁波の一種である可視光の平行光を発生させる光源装置をつくりました。本来は，スポットライトなどステージの照明装置に用いるハロゲンランプですので，太陽光に匹敵する明るさを実現することができました。（ハロゲンランプは，大阪市立大学の村田恵三教授を通じて，格別な配慮によってウシオライティング（株）に提供していただいたものを使用しました。） ３．２の項目でご紹介した光源装置と，受光用のパラボラアンテナを，約10mの距離を隔てて設置し，電磁波の送受信の仕組みを再現してみました。送信側の焦点からでた光がパラボラアンテナで反射して平行光になり，受信側のパラボラ面で反射して焦点に集光される過程をご覧頂けます。（映像の最後に１の項目で紹介した実験と同様，受信側のパラボラアンテナの焦点に黒い画用紙を近づける場面があります。室内でも１と同様の結果が得られるかどうかご注目ください！） 撮影に際しては，光の道筋を分かりやすくするために，フォグマシンで発生させたスモークの中で実験を行っています。 ４．３の項目の黒い画用紙に換えて，手品でおなじみの綿火薬（ニトロセルロース）を置いてエンターテインメント性を追求した実験を行ってみました。綿火薬は発火点が低く（約100℃），瞬間的に跡形を残さず燃え尽きてしまうので変化の有無が大変わかりやすくなりました。（実験に使用した綿火薬は市販のものではなく，本校化学担当の涌田先生･大久保先生のアドバイスを受けながら作りました。濃硫酸と濃硝酸の混合比率や反応時間の判断，更には水で洗浄する時のノウハウなど，化学実験ならではの醍醐味を味わうことができました。快く私につきあってくださった両先生には，この場をお借りしてお礼申し上げます。） |
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| 舞台効果のアイテムとして，スモークを発生させるフォグマシンという装置があります。各地で開催されているサイエンスショーのオープニングやエンディングでは，最近空気砲の実演をよく行うようになりましたが，空気砲に使うスモーク発生装置としての方がフォグマシン方が，むしろお馴染みといえるかも知れません。 一見高価な装置のように思えますが、実は小型（400W)のものは通販を利用すると案外安価で購入することができます。 私も空気砲の実演をやってみたくなり，フォグマシンを購入した（商品名：SMOKE STREAM JR，ステージエボリューション社製)のですが，空気砲の用途ではもったいないので，プリズムに入射した白色光が分散する様子を撮影することに利用できるのではないかと考え，早速試してみることにしました。 実際に実験を行ってみると、スモークの量が少なければ明るさが足りず、多いと光が遮られてこれもまた上手くいかずという結果になり，量を調節に苦心をしました。 白色光の方はホームセンターで購入した500Wのハロゲンランプに，スリットを入れたアルミ箔をかぶせたものを光源として使っています。 一方，レーザー光の方は「共立エレショップ」という通販サイトで購入したレーザーダイオードモジュールを使って自作したレーザーポインタを利用しています。赤は3mW，緑は5mWの出力ですので、取り扱いには注意が必要ですが，大変明るいため重宝しています。 |
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| シャボン玉のような薄い石けん膜の表面と裏面で反射した光が干渉し，虹色に色づいて見える現象は，薄膜の干渉として一般に広く知られています。左図は、石鹸水膜の表面と裏面でそれぞれ反射した光が互いに干渉し合う様子を撮影したものです。光は、色によって異なる波長を持つため、ちょうど強めあう条件と一致する波長を持つ光だけが、膜の厚さに応じて強め合って色づいて見えます。 画像をクリックして動画を再生すると、重力によって石鹸水が下に移動し、それに伴って膜も厚さが上部では薄く、下部では厚くなっていくため、この膜の厚さの変化に伴って縞模様が変化する様子がご覧いただけます。 なお、膜の上部では膜の厚さが強め合う干渉光が得られる条件を下回っているために干渉縞は見られず、膜の下部では膜の厚さが厚くなり、狭い範囲に数多くの縞模様が密集しているため，肉眼では識別することが困難になってしまいます。（注：撮影の際、ピントは薄膜表面に合わせています。） |
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| 薄膜の干渉（シャボン玉のような薄い石けん膜の表面と裏面で反射した光が干渉し，虹色に色づいて見える現象）は，一般に広く知られています。しかし，厚さ３ｍｍのガラス板で光波の干渉が起きるということを皆さんはご存じでしたでしょうか？ 正直に白状しますと，恥ずかしながら私も物理を教える身でありながら40歳を過ぎるまでこの事実を全く知りませんでした。（大阪府高等学校理化教育研究会の研究集会において，当時，金光八尾高等学校に勤務しておられた森脇 豊先生に教えて頂き，初めてそのような現象の存在を知りました。） 私が普段職場で使用している作業ブースは，眼前に厚さ３ｍｍのガラスがはめ込まれたパーティションがあります。机の上に大きなラックを載せているため，照明が当たらず暗いので，仕方なく蛍光灯を取りつけています。しかし，いざ蛍光灯を取りつけてみると，今度は直接光が眩しくなり，手元にあった画用紙を遮光板として蛍光灯の手前側に貼り付けました。 初めのうちは気付かなかった（身体が疲れていないときには，同じ場所を眺めいるのにはっきりと模様を見えなかった）のですが，連続した授業の後に疲れてぼんやりと目の前（図２の赤枠で囲んだところ）を眺めてると，同心円状の模様が見えていることに気付きました。体調の好不調が見え方に影響していることが腑に落ちず，原因をあれこれ考えている内に漸くあることに気付くことができました。結論は次の通りです。 元気なとき → ピントがガラス面に合っている 疲れたとき → ピントが無限遠に合っている 調べてみると，干渉縞は厚さ３ｍｍのガラスの表面と裏面でそれぞれ反射した光が等傾角干渉を起こして生じていることが明らかになりました。（因みに，等傾角干渉には「ピントを無限遠に合わせないと干渉縞が観測できない」というの特徴があり，等厚干渉には「干渉が起きているところにピントを合わせないと観測できないという特徴があります。） 左図は、上でご紹介した現象を教室でも観察できるようにと考えて作成した装置です。「作業ブース」を再現する上で重要なポイントは，「直接光を当てるのではなく，間接光を利用する」ということと「干渉を起こすガラス面に対して視線が垂直になるようにする」という２点です。 この２点を満足させるため、蛍光灯・円錐形の反射板・遮光板を組み合わせた光源部分に、厚さ３mmのガラス板（水槽の蓋として市販されているもの）を対置させました。 干渉には等傾角干渉と等厚干渉の２種類がありますが，撮影の際のピント設定を無限遠に設定した場合にのみ干渉縞が撮影できる点を考慮すると，この干渉縞は，等傾角干渉によるものであると結論づけることができると考えています。 |
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| １． 厚さ7.7mmの２枚のガラス板の片方の端に，調理用のアルミホイルをはさんで，くさび形の空気薄膜を形成させたものを，２の項目で紹介した光源を使って撮影したときの映像です。 ビデオカメラのピントを，くさび形空気薄膜層に設定したときは等厚干渉による干渉縞が観測され，ピントを無限遠に設定したときには，ガラス板の上面と下面で反射した光による等傾角干渉の干渉縞が観測されます。 （ガラス板表面に若干の歪みがあるため，今回の撮影では，２枚のガラス板をずらせて重ね，条件の良い部分を使って撮影をしています。） ２． 厚さ3.0mmのガラス板の上に，平凸レンズを凸面を下にして置き，ガラス板と凸面の間に空気薄膜を形成させたものを，２の項目で紹介した光源を使って撮影したときの映像です。 ビデオカメラのピントを，空気薄膜層に設定したときは等厚干渉による干渉縞（ニュートンリング）が観測され，ピントを無限遠に設定したときには，ガラス板の上面と下面で反射した光による等傾角干渉の干渉縞が観測されます。 （ニュートンリングが，接点を中心とした同心円状になっていないのは，ガラス板に若干の歪みがあるためです。） |
