鏡に映る自分は本物？「反射の法則」を体感する光の実験（反射の法則）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
朝、洗面所の鏡で自分の顔を見る。電車の窓に景色が映り込む。水たまりに空が映る。私たちの毎日は、実は「光の反射」だらけです。でも、いざ「なぜ鏡には物が映るの？」と聞かれると、案外うまく答えられないものではないでしょうか。今回は、そんな身近だけど奥深い「反射の法則」を、教科書の中の言葉としてではなく、自分の手と目で確かめてもらう実験をご紹介します。
光の反射を「体感」する難しさ
光の単元で「反射の法則」や「乱反射」を扱う際、教科書に書かれている定義だけでは、生徒たちの心に響かない…そんな歯がゆい思いをしたことはありませんか。「光は鏡のように跳ね返るんだよ」「デコボコした面だとバラバラに反射するんだ」と説明しても、実際に生徒が「なるほど！」と体感し、納得するレベルに落とし込むのは、意外と難しいものです。そこで実際に実験をして確かめることが必要になります。
私自身も、生徒たちが実験について本当に理解しているのか、いつも試行錯誤していました。この実験は、単に知識を詰め込むだけでなく、生徒たちの観察眼を養い、科学的な思考力を育むための絶好の機会となります。光の不思議な振る舞いを、生徒自身の目で確かめ、手で触れることで、彼らの知的好奇心を刺激し、理科の面白さを再発見させてあげましょう。
ちなみに「反射の法則」を初めて記録に残したのは、古代ギリシャの数学者ユークリッドだと言われています。紀元前300年頃にはすでに「入射角と反射角は等しい」という性質が知られていたというのですから驚きですね。人類は2000年以上も前から、鏡の中の不思議に気づいていたわけです。
準備するもの
- 光源装置（可能なら平行光を出せるもの）：光の筋がはっきり見えるものが理想的です。レーザーポインターでも代用可能ですが、光の広がりを考慮して選びましょう。
- 平面鏡：手鏡や、理科室にある実験用の平面鏡で構いません。ダイソーで売っているカードミラーがおすすめです。安く手に入って長く使えます。
- 分度器付きの観察シート（なければ自作）：入射角と反射角を正確に測るために必須です。大きな紙に分度器で角度を書き込み、中心に鏡を置く位置を示すだけでも十分です。こちらは私が使っているシートです。15度ごとに線をあらかじめ引いてあり、どこで測るかがわかりやすくなっています。
実験方法
光源装置から出る光を平面鏡に当て、入射角と反射角を測って記録していきます。ここで大事なのは、反射角を正確に測るということに生徒の意識を向けさせることです。入射角と反射角が等しくなることを複数回の測定で確かめる活動にすることで、「反射の法則」についての気づきを得ておきたいものです。
カードミーラーを使った方法
カードミラーで起きる意外なズレ
カードミラーと教材会社で売られている鏡を比較すると、実は入射角が大きくなると、反射の法則とは違った結果になることがあります。こちらはナリカさんの実験道具を使った時の様子です。
というのも、カードミラーは鏡の表面を保護するために、プラスチックで薄くコーティングされているため、入射角を大きくしていくとずれていくことがあるためです。
光は透明なプラスチック層に入る瞬間と出る瞬間にそれぞれ屈折し、進む向きがわずかに曲がります。角度が浅いうちはそのズレはほとんど気になりませんが、入射角が大きくなるほど光が層の中を進む距離が伸びるため、ズレも大きくなってしまいます。だからこそ、とにかく観察を正確にして記録することがポイントです。
例えば、この結果をグラフにすると次のようになります。
数値だけを見ているとわかりにくいズレも、グラフにするとひと目で「あ、大きい角度のところだけ違う」と気づけます。データをただ集めるだけでなく、グラフにして視覚化する練習をさせておくと、理科の実験のまとめ方としても良いトレーニングになるかもしれませんね。
次は乱反射の実験についてやってみましょう。
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