プールに隠れた物理の教室。波が教えてくれる反射・干渉・ホイヘンスの原理
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
プールをのぞいてみると、そこには教科書には載っていない「生きた物理」が広がっています。波の反射、回折、干渉――むずかしそうに聞こえますが、水面に広がるひとつの波紋の中に、これらすべてが息づいているのです。今回は、昨年からコツコツと撮りためてきたプールの波の映像をもとに、日常に潜む波の不思議をご紹介します。「日常に潜む数理曲線」という気づきの多いDVDがあるのですが、プールを見渡すといろいろな波があることに気が付きます。そんな不思議な波を昨年から撮影しておりました。まとめてみたので、もしよろしければご覧ください。
Dの形のプールで波を起こすと、何が見える？
まずこちらの動画は、Dの形をしたプールに、木のボールを落として波を起こした時の様子です。
波が丸い面で反射してくる様子と、線状の面で反射してくる様子が観察できます。
丸い壁（曲面）に当たった波は、まるで光が凹面鏡で集まるように、一点に向かって収束してきます。一方、まっすぐな壁（平面）に当たった波は、入射した角度と同じ角度で跳ね返ってきます。これは光の反射の法則とまったく同じしくみです。プールがDの字型をしているのは、この2種類の反射を同時に観察できるという、絶妙な設計になっているのです。
線状の波と「ホイヘンスの原理」
次に、こちらは線状の波です。点波源がたくさんあるというように、ホイヘンスの原理では見ます。
ホイヘンスの原理とは、17世紀のオランダの科学者クリスティアーン・ホイヘンスが考えた、波の伝わり方を説明するアイデアです。波面のすべての点が、それぞれ新しい波（素元波）を出す点波源になると考えます。その無数の小さな波が重なり合って、次の瞬間の波面を作り出す――これがホイヘンスの原理です。線状に広がる波を見ていると、まるで無数の小さな波源が横一列に並んで、せーので波を出しているかのように見えてきます。300年以上前にこの原理を考え出したホイヘンスの洞察力には、思わず「天才だ！」とうなってしまいます。
滝のそばで見える、回折格子のような縞模様
最後に滝のところでの波の様子です。頑張ってみると、回折格子のような縞模様が見えます。
回折格子というのは、非常に細かい溝がたくさん並んだ光学器具で、光をプリズムのように色ごとに分けることができます。CDやDVDの裏面がキラキラと虹色に光るのも、まさにこの回折格子のしくみによるものです。滝から落ちる水が水面を叩くとき、規則正しい間隔で波が生まれ、それらが重なり合って縞模様（干渉縞）を作り出します。光でも水でも、波であれば干渉は起こる。自然の統一感に、思わずぞくっとしてしまいます。
日常の中に、物理はあふれている
日常の物理、探してみましょうね！ またホイヘンスの原理に関するシミュレーション教材をたくさん作りました。こちらもぜひ参考になさってください。プールでも、滝でも、雨上がりの水たまりでも――波は常にそこにあります。物理の目でもう一度、身のまわりの世界を眺めてみると、見慣れた風景がまったく違って見えてくるはずです。
赤城山の小沼（この）に行ってきました。底が浅い沼なのがいいのか、素元波がゆっくりひろがっていき、観察しやすかったです。動画でとればよかった。教材に使えると思いました。
こちらは、２つの波が干渉をしている様子が観察できます。左手前のほうに、強め合う部分が見えるような見えないような？
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