首が無い黒い動物な〜んだ!屈折の法則の不思議【リモート授業】

ケン博士
サイエンストレーナーの桑子研です。 

今日は突然ですがクイズです!こちらの動画から見てください。黒い物体がうつるのですが、これが何なのか?考えながら見てくださいね。

え!え!!なんだこりゃ

首のない動物が動いています。

わかりましたか?実はこれペンギンです。すみだ水族館というスカイツリーのところにある水槽にいるペンギンを下から撮影した様子です。水槽が見上げるように配置されています。まるで水の中からペンギンを見るような、そんな作りになっています。そのようにしてペンギンを見ると、なぜか首が見えないんですよね。

すみだ水族館で物理学

先日すみだ水族館にいってきました。ここの目玉は屋内にあるペンギンの水族館です。ペンギンが大きな水槽の中で泳いでいて、水槽を二階から覗きこんだり、

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2階からだと水槽の底の青がよく見えます

一階におりて、水槽を下から見上げることによって、ペンギンの様子を水の中から見ることができます。そんな見上げたときの動画でした。動画を見ると分かるように、

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なんと水槽の下から水をとおしてそらを見上げると、青色になって、外の世界が見えないところと、画像右上のように外の世界が見えるところがあります。この窓は箱根園になる水族館でも見つけることができました。次の動画のようがよく見えるかもしれません。

このブルーはなにかというと、実はプールの底、水底のコンクリートに塗られた青色になります。

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なぜこのように、丸く繰り抜かれたように外の世界が見えるのでしょうか。この境界線は何なのでしょうか?

その理由は物理にあった!

これには光の屈折と反射に関係があります。例えば次の図のように水槽を斜め下の目線を高くして除いた場合、天井の光が見えます。光の逆進性で目に飛び込んでくる光の経路を追ってみましょう。

次に少し目線を落とすと、水底の色が見えるラインがあります。これが上の画像で、天井と水底の色が見えていた境目です。このときの角度を臨界角といいます。だいたい高校物理で習う屈折の法則の数式を使って計算してみましょう。空気の屈折率をおよそ1、水の屈折率をおよそ1.33とします。計算してみると、48°になります。(ぜひ高校生は電卓を使ってやってみてくださいね。ただし関数電卓です。アークサイン(arcsin)を使う必要があります)。そしてさらに目線を下げていくと、もう水底の色(青色)しか見えません。

このようにして、この不思議な景色はできています。実はこの境界線は見上げた時の角度はこの条件に一致していたのですね。

※実際は水槽と空気の間で2回屈折をするために、48度よりも角度は大きくなります。

立体的なので、その線は丸く窓のようになります。

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もう一度上からみた写真を見て下さい。上からみると水底の色が全部見えるのに、不思議ですよね〜。泳いでいる水の中のペンギンは窓からみずの窓からぼくたちを見ているんですね。

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ぜひ、すみだ水族館にいったら見てほしいと思います。(デートで水族館にいったとき、こんなことを話してみてはどうでしょう。あ、責任は負いかねます。。。)

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