JP2017003951A - 光の屈折実験用テンプレート - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率が知られている物質の光の屈折実験で、入射角、屈折角の何れかを決める時、他方を簡単な方法で決めるという課題、及び屈折現象は入射光側の光の進む速さと屈折光側の光の進む速さが異なり、それが起因することを任意の方向の光で説明するという課題を目視で確認できる光の屈折実験用テンプレートを提供する。
【解決手段】光の屈折実験用テンプレートを円形透明樹脂板に垂直直径線、水平直径線３、角度目盛りを印刷し取手を加工したテンプレート１と、円形透明樹脂板に垂直半径線６、中心から線分８の終点から引いた水平線７を印刷し取手を加工したテンプレート５と、円形透明樹脂板に垂直半径線１０、その延長上の線分１２の終点から引いた水平線１１を印刷し取手を加工したテンプレート９とから構成し、それぞれの中心に穴を施し、３枚重ねてハトメ等で固定しそれぞれが自由に回転出来るようにした。
【選択図】図４

Description

光の屈折実験用テンプレートを使った光の屈折実験では、三枚のテンプレートそれぞれに特徴のある垂直線、水平線を印刷し、入射光の角度を、一枚目のテンプレートに設定し、三水平線が一点で交わるという原理に基づき、二枚目のテンプレートを合わせると、屈折光の進路が決定され、テンプレート上に実際の角度で現れることで、定性的な実験から、定量的な実験へと実験の質の向上が期待できる、光の屈折実験用テンプレートに関する。

従来の光の屈折実験装置は、円形の水槽に角度目盛りを施し、入射光の角度と、屈折光の角度を目盛りで測り、角度の差を見て光の屈折現象が起きたことを、確認するに留まっていた。少し進んだ検討をした場合でも、入射角の正弦と屈折角の正弦の比が、一定の値を示し、それを屈折率と呼ぶことを、定理として理解させることで完結するに留まっていた。

三枚のテンプレートの、三つの水平線が一点で交わるように合わせることで、入射角の正弦、屈折角の正弦の比が屈折率に等しくなる入射角、屈折角を簡単に決めるという課題。
三つの水平線が一点で交わった図形から、単位時間に光の進む速さの違いから、屈折現象が現れることを簡単に説明する課題。

円形透明樹脂板に、垂直直径線２、水平直径線３、角度目盛り４を印刷したテンプレート１および、円形透明樹脂板に、垂直半径線６、中心から線分８を設定し、終点より、水平線７を印刷した、テンプレート５および、円形透明樹脂板に、垂直半径線１０、その延長上に長さが線分８に対して１／屈折率、の長さを持つ線分１２を引き、その終点より水平線７を印刷したテンプレート、この三枚のテンプレートを重ねて、円形の中心に穴を施しハトメ等で固定し、三つのテンプレート１，５，９が自由に回転出来るようにし、入射光の方向を垂直半径線６に、屈折光の方向を垂直半径線１０に合わせるとき、三つの水平線３，７，１１は一点で交わる。実施上テンプレート１は水槽に固定し、可動なテンプレートは５と９になる。（図４）

任意方向からの入射光に対し、その方向に垂直半径線６を合わせ、三水平線３，７，１１を一点で交わるようにするとき、垂直半径線１０は屈折光の進路を決定し表示する。

課題を解決するための手段について、簡単に原理の説明を述べる。図４の核心部分を抽出した図５において、直角三角形１８と、直角三角形１９は共通な斜辺１７を持つ、その長さを１とすると、入射光の角度１５の正弦は線分８の長さに等しい、屈折光の角度１６の正弦は線分１２の長さに等しい。予め線分８と線分１２の長さの比は屈折率に等しく設定されている。よって入射角の正弦を屈折角の正弦で割ったものは屈折率に等しい。スネルの原理と呼ばれている内容を端的に解決している。
直角三角形１９を、図６の直角三角形２０の位置に移動しても図形の本質は変わらない。入射光６に平行に直線１３を、屈折光１０に平行に直線１４を引くことにより、図５図６では、例えば空気中で光が線分８の距離を進む時間に、水中の光は線分１２の距離を進み、屈折現象が起きることを図６は明瞭に説明している。

図７は請求項３に関する。テンプレート５を変更し図７のテンプレートにすれば、屈折率が直読出来る。図８は、屈折率が１．４と直読出来たときの例である。

図９のような装置に、図４のようにテンプレートを適用し、光の屈折がスネルの原理に従うことが理解でき、その原理によって光の進路が明確に示され、定性的な実験が、定量的な実験へと進化している。入射角を与えると、屈折角が即、図形上で決められるという優れた機能を持っている。一方、理科教育上、中学、高校での扱いになっていた光の屈折実験は光の進み方が水中では遅れることを教えることにすれば、小学校での理科教材にも適用可能といえる。図６は小学生でも理解可能な内容と考えられる。
入射光、屈折光の方向を回転可能なテンプレート上に決め、スネルの原理に従う入射角、屈折角を明快に決定する方法は、今までに見あたらない。

入射光の入射角、屈折光の屈折角を測るための角度目盛り付きテンプレート 入射光の入射方向に軸を合わせるテンプレート 屈折光の屈折方向に軸を合わせるテンプレート 三枚のテンプレートの中心を重ねてハトメで固定し、使用方法を説明する図 入射角の正弦、屈折角の正弦、屈折率の関係を説明する図 空気中の光の速度と、例えば水中の光の速度の差から屈折現象を説明する図 屈折率が直読出来るテンプレート 例として、屈折率が１．４と判読出来たときの図 テンプレートを使用しているときの水槽、光源との関係の概略図

図９は発明の効果を説明する概略図であり、実施するための形態を図４で説明する。図４において、三枚重ねのテンプレートの重ねる順序は、図１のテンプレート１の下に、図２のテンプレート５、次に図３のテンプレート９のように重ねるのが望ましい。光源が用意された水槽に、テンプレート１の取手部分をテープ等で固定する。この場合水面の線は水平直径線３に一致して合わさなくてはならない。次に光源からの入射光の方向を決め、テンプレート５の垂直半径線６をその方向に合わせる。次にテンプレート９を回転させ、水平直径線３と水平線７の交点に、水平線１１を交わらせ、三水平線３，７，１１が一点で交わることを確認し、垂直半径線１０の方向を見れば、屈折光の方向が垂直半径線１０の方向に一致していることが確認出来る。
同様に、光源を下に設け、水の方から入射光をあて、水から空気への屈折光の実験も行なうことが出来る。特異な例として、予め垂直半径線６を水平直径線３に一致させ、テンプレート９を回転し、三水平線３，７，１１が一点で交わるように決めるとき、垂直半径線１０の方向を見れば、入射角は臨界屈折角を現している。

１ 入射光の入射角、屈折光の屈折角を測る目盛り付きテンプレート
２ 入射光、屈折光の角度の測定の起点となる垂直直径線
３ 入射光側、屈折光側を区別する境界水平線、水平直径線
４ 入射光、屈折光の角度を測る目盛り線
５ 入射光の方向に垂直半径線を合わせて用いるテンプレート
６ 入射光の方向に合わせる垂直半径線
７ 入射光側にあり、屈折原理に関係する垂直半径線に水平な直線、
８ 長さが、空気中の光の速度に対応する線分
９ 屈折光の方向に垂直半径線を合わせて用いるテンプレート
１０ 屈折光の方向に合わせる垂直半径線
１１ 屈折光側にあり、屈折原理に関係する垂直半径線に水平な直線
１２ 長さが、水中の光の速度に対応する線分（例、水の場合、線分８の０．７５倍）
１３ 入射光の方向に平行な補助的付加直線
１４ 屈折光の方向に平行な補助的付加直線
１５ 入射角をあらわす
１６ 屈折角をあらわす
１７ 二つの直角三角形１８、１９の共通斜辺
１８ 入射光に関係する直角三角形
１９ 屈折光に関係する直角三角形
２０ 直角三角形１９の位置を逆にした屈折光に関係する直角三角形

Claims (3)

1. 円形透明樹脂板に、垂直直径線２、水平直径線３、角度目盛り４を印刷し、取手を加工したテンプレート１と、円形透明樹脂板に、垂直半径線６、中心から線分８の終点から引いた水平線７を印刷し、取手を加工したテンプレート５と、円形透明樹脂板に、垂直半径線１０、その延長上の線分１２の終点から引いた水平線１１を印刷し、取手を加工したテンプレート９、それら３枚のテンプレート１，５，９の中心に穴を施し、３枚重ねてハトメ等で固定し、それぞれのテンプレートが、自由に回転出来るようにした光の屈折実験用テンプレート。
2. テンプレート５の線分８と、テンプレート９の線分１２の長さの比を、１対１／ｎに設定した請求項１に基づく光の屈折実験用テンプレート、但しｎは屈折光側の物質の屈折率とする。
3. テンプレート９の線分１２の長さを線分８に対して、１対１／１．０、１対１／１．２、１対１／１．４、１対／１．６、１対１／１．８、１対１／２．０の比に設定した点から、６本若しくはそれ以上の水平線を引いた、屈折率直読可能な、請求項１に基づく光の屈折実験用テンプレート。

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