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2010年12月10日 (金)

理科話(5):水滴の影

1123_1raindrop1 11月23日
雨上がり。シロザの葉の上の水滴。
1123_1raindrops
こちらはアジサイの葉の上の水滴。
なんだ水滴か。

ところで、水って無色透明ですよね。なんで、その無色透明な水滴に「影」ができるんでしょう?
影というのは「光が来ないところ」ですよね。無色透明な水滴の後ろに、どうして光が来ないところができるのでしょう?

無色透明な窓ガラスの影ってできますか?窓枠の影の中、ガラスの影ってないですよね。

どうして、水滴には影ができるのか。
水滴がレンズになっているせいなんですね。
最初の写真の水滴のすぐ後ろのところ、暗い影の中で一点だけ明るく光っているでしょ、ここが水滴レンズの焦点。
水滴に入った光は全部ここに集まってしまいました。ですから、それ以外のところには光が来なくなってしまって、影ができているのです。

●図を見て下さい。
Shadow1
LLはレンズを示します。このレンズを通った光がどうなるか考えてみましょう。
LLをそのまま紙の上に投影した範囲がL’L’です。
LLの後ろにある点はレンズの焦点を示しています。

(1)レンズが紙からずっと遠い場合。
 いったん焦点に集まった光はその後広がります。広がって、紙に届くときにはL’L’の範囲より広がってしまいました。
AL’はレンズの外を通ってきた光とレンズで広がった光が重なるので、ただ太陽に照らされている部分より明るくなります。
L’L’では、本来ここに来るべき光が広がってしまいましたから、明るさが減っています。
↓その状態がこの写真
1124lens1

(2)レンズが少し紙に近づきました。
LLの部分に入った光が、L’L’に広がりました。これは、結局、レンズがなかったことと同じになりますから、明暗の差ができず、外から内まで、一様な明るさになるはずです。これは板ガラスに影ができないのと同じ状態ですね。
写真はこれ↓
1124lens2
厳密ではないですが、ほぼ一様な明るさになっていますね。

(3)レンズがもっと紙に近づきました。
図で分かるように、L’Aの部分には光が来ないので影になります。
AAの部分にはLLに入った光が狭い面積に集中されますから、とても明るくなるはずです。
その写真はこれ↓
1124lens3

●次の図に移ります。
Shadow2

(4)レンズの焦点が紙の上に来ました。
LLに入った光の全てが焦点に集まりますから、そこだけが明るく輝く点になります。L’L’の範囲で焦点以外には光が来ませんので真っ暗の影。
これです↓
1124lens4
理想的な点光源だと、輝く部分も点になりますが、太陽には大きさがあって、焦点のところには太陽の像ができていますので、少し広がりを持ちます。

(5)もっと近づきました。
図3と同じような状況になって、レンズの影の中に明るい部分が生じます。
これです↓
1124lens5

●いかがでしたか?図に描いたものと、実際の写真と、ほぼ一致しましたね。これが理科の楽しみ。
予想と実際がピタッと合った時の楽しさは一度経験すると忘れられないものです。

●ところで質問!
近視用の眼鏡を太陽光に垂直にさらすと、どうなりますか?
影ができますか?

★予測して下さい。
近視用ですから、凹レンズです。
レンズに入った光は広げられます。
すると、レンズそのままの範囲より広い所へ光が広がりますね。ということは、状況としては図1の紙の上と同じようになるのではないでしょうか。いったん集まって広がるのではなく、最初からLAへと広がっていくのですね。
すると図1の下の写真と同じようなことになりませんか?

★では、実験。私の近視用眼鏡です。
1124lens6
いかがですか?

理科って楽しいですね。

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