まっすぐな鉛筆を透明なコップに斜めに入れ、斜め上から見ると、水に浸かっている部分が水面のところでずれて見える。取り出してみると、鉛筆はやはりまっすぐだ。目の位置を別の場所へ移すと、ずれ方もそれにつれて変わる。
どこから説明を始めればよいだろう。まず水中の鉛筆の先を一つ選び、そこが反射した光がどのように進んで目に届くのかを問いかけてみる。中学2年の物理の光学分野は、こうした日常の観察を一歩ずつ、検証できる光の道筋の図へと描き変えていくことだ。
目の位置から逆に光をたどる
第4課ではまず光源、影、反射を扱い、そのうえで平面鏡による成像を紹介する。鏡に映る自分を見るとき、目に入るのは鏡面で反射した光だ。反射光の方向に沿って鏡面の奥へ延長していくと、図の上で像の位置を見つけられる。物体と像を書き入れると、両者が鏡面について対称であることがわかる。第4課「光現象及其反射折射」
こうした問題を解くときは、まず目の位置を図に書き込み、どの光線が鏡面を経てそこへ届くのかを描くとよい。すぐに角度を計算できなくても、図があれば光の進む向きを逆に描いていないかを確かめられる。
水面に達すると、光の向きが変わる
水中の鉛筆の先が反射した光は、斜めに水から空気へ入るときに屈折する。目は屈折後の光を受け取り、その光が来た方向を逆向きにたどるため、見える鉛筆の先の位置は水中の実際の位置とずれる。第4課では同様の光の道筋を用いて、水面の上方から見ると澄んだ池の底が浅く見える理由を説明している。
もっとはっきり見たいときは、コップと鉛筆を安定して置き、水位を保ったまま、二つの異なる角度からそれぞれ観察して、鉛筆の先がどこに見えるかを描き留める。そのあと、鉛筆の先、水面、目だけを残した簡略な見取り図を作る。水面のところまで描いたら、まず境界面に垂直な法線を一本引き、光が斜めに水を出て空気へ入るとき、屈折角が入射角より大きくなっているかを確かめる。
屈折を、曲面のあるガラスの一枚に当てはめる
第5課ではこの考え方をレンズへと広げる。凸レンズは中央が厚く縁が薄く、主光軸に平行な光は屈折後に集まる。教材はレンズの形から主光軸、焦点、焦点距離へと進み、さらに複数のレンズで見え方を変える光学機器へと導く。水面での一度の折れ曲がりを描いたあと、光がレンズを通る前後の道筋を見れば、各区間の光をたどりながら焦点がどこから来るのかを理解できる。第5課「透鏡作用与宇宙探索」
観察のあとに、現象を説明できる図を一枚加える
この簡体字中国語の講座は中学2年の生徒を対象とし、機械運動、音の現象、物質の状態変化、質量などのテーマも扱う。生活の中の疑問を持って物理を学ぶときは、まず見えたことを記録し、次に観察条件を一つ変え、最後に図や測定で変化を説明するとよい。光学分野の最初の練習図は、コップの中のあの鉛筆でかまわない。光がどこで曲がったのか、目が鉛筆の先をどこに見ているのかを、隣の席の相手に指し示してみよう。PHYS801A-PEP-CN 講座に入る