Chapter１ ”プリズムで虹を作ろう

（しかもできるだけ大きいやつを）

目次
内容
学研の実験キットシリーズ「プリズムと光の研究」を使用して、とりあえず虹を作ってみた。
その後、キットの中のプリズムだけを使って、出来るだけ大きな虹を作ることにチャレンジした。
使用物
  • 学研の実験キットシリーズ「プリズムと光の研究」
  • 大きなダンボール
  • 白い紙（今回はプリンター用紙を使用）
  • ゼムクリップ、木工用ボンド、はさみ、黒マジック など

下調べ
プリズムで虹を作ることを分光といいます。
”光を分ける”と言うことなのですが、どう分けるかと言うと、色で分けます。
私達の目が”光”と感じるものは、電磁波の一部で可視光という領域です。
電磁波には波の性質があって、いろいろな長さの波を持った光あります。
この波の長さを波長といいます。
可視光について、私たちの目は波長の違いを”色”として感じ取ります。
波長が短いほうから紫・藍・青・緑・黄色・だいだい・赤となっています。
（虹の七色ですね）

ところで、光は直進するということを聞いたことはないでしょうか。
まあ、確かに何もなければまっすぐ進むんですが、
ある物質を進む光が斜めから別の物質に入ったとき、光は曲がります。
（例えば、空気中からプラスチックに入るときなど）
これを屈折といいます。
この屈折ですが、実は色（つまり波長）によって曲がり方が違います。
波長が長いものほど曲がりにくく、短くなるにつれて曲がりやすくなります。
さて、太陽光線はどんな光でしょうか。その性質は大まかに
１．平行光線である。
光の方向が揃っているということです。
つまり、直径２センチの１円玉の影は、ある程度の範囲で２センチになります。
あ、スクリーンは斜めにしないでください。
あと、あまり離れすぎないでください。
（影の輪郭がぼやけて、そのうちに影がなくなります）
（この理由は、結構難しいので、どこか別のところで説明しましょう。
ひとつには、光は太陽の方向からだけ来るわけではない、ということです。
いろいろなものにぶつかって回り込んでくるような光もありますから。）
２．白色光である。
２０行くらい前を見てもらったときに、”白”と”黒”がないじゃないか、と思いました？
実は、人が”白”とか”黒”と感じるのは、いろんな波長の光が均等に混ざったとき、”なんです。
光が多いときは”白”と感じ、少ないと”黒”と感じるのです。（中間なら灰色ですね）
つまり、太陽光線はいろんな波長の光が均等に混じっているのです。
ここで、その太陽光線を屈折させてやるとどうなるでしょう？
そう、紫は良く曲がり、赤はあまり曲がらない、その間の光はその曲がり方に応じてその間を埋める、
と言うように、広がるわけです。しかも虹色に。
曲がり始めのところではその差は小さいのですが、遠くなればなるほど大きく広がります。
ただし、もともとの光の量は同じなので広がれば広がるほど薄く（＝暗く）なっていきます。

戦略
キットを作る際には”きあい”がいります。
あと、木工用ボンドとクリップ（ヘアピンでも代用できそう）を用意しましょう。
普通の”のり”でくっつけたくらいでは、はがれてしまいます。
クリップは、ボンドが固まるまで固定するのに使います。

大きな虹を作るためには以下の事に気をつけました。
  1. 強い光を使う

    2. 太陽光が一番強いのは南中時（つまり昼の１２時）です。
    夏至が一番太陽光の強い時期ですが、梅雨時なので難しいでしょう。
    入梅前の５月ごろか、梅雨明け後の７・８月を狙うと良いでしょう。
    今回は８月の中ごろに実験しました。
  2. プリズムからスクリーンまでのよりを長くする。

    3. 広くて暗い場所にうまく光を導かなくてはいけません。
    今回は大きなダンボールを使いました。
  3. スリットを細くしすぎない。

    4. スリットを細くすれば、虹はシャープになります。
    しかし、スリットが細い＝光の量が少ない　ですので、
    暗い虹になってしまって、下手をすると見えないかもしれません。
    大きな虹を作るのですから、シャープさには目をつむりましょう。
    適当に考えて、スリットの幅は5mmとしました。

過程と結果
学研の実験キットシリーズ「プリズムと光の研究」を組み立てた。

所要時間は２時間。
貼り付けは木工用ボンドで行い、ボンドが固まるまでクリップやヘアピンなどで固定した。


ボンドが固まってから実験を行った。 出来るだけ太陽光が強い正午近辺を狙うこととし、今回は太陽が完全に顔を出した11:00ごろから作業を開始した。
風が強かったため、実験装置を手に持って操作を行った。
スリットを通過した光が中央につけたプリズムの中心を通るように方向を調整し、プリズムの角度を変化させた。 今回は虹の写真を撮影することも目的のひとつだったが、肉眼でくっきり見える虹は写真ではただの”光の帯”となることがわかった。

肉眼では暗いと感じる程度のものを撮影することできれいな虹の写真が撮影できた。


大きな虹を撮影するためには、以下の手順を取った。
  1. 大きなダンボール箱のふたをあけた状態にし、開けたふたが手前になる用に設置した。
  2. 黒く塗ったプリンター用紙の中央付近に3cmx0.5cmの穴を開けスリットを作成した。
  3. 段ボール箱の上面・中央付近に3cmx1cm程度の穴を開け、そこにスリットを貼り付けた。
  4. 段ボール箱の中に入り、スリット穴の直下にプリズムをもって行き、虹が出来るように角度を調整した。
  5. 先ほど虹を観測したあたりに白いプリンター用紙を貼り付けスクリーンとし、再度プリズムを調整してスクリーン上に虹が来るように調整した。
  6. 虹の撮影をしてもらった。（うまくすればセルフシャッターで出来るかもしれません）

大体5cm程度の虹になりました。
もう少し工夫すればもっと見栄えが良くなるかもしれないですね。
例えば、スクリーンを円筒上にしてやるとか。