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おもしろ科学実験室(工学のふしぎな世界)

光を虹色に分解して「万華鏡」を作ってみよう

2018年8月10日
新潟大学 工学部

はじめに

 光は波の性質を持っており、山と谷をくりかえしながら進みます。山と山、または谷と谷の間の長さを「波長」と呼び、赤や青などの色は、この波長の違いによるものです。光は波ですから、二つの光が山と山、谷と谷が重なると強めあい、逆に、山と谷が重なると弱めあいます。

 光の波が小さな”すきま”を通りぬけると、図1のように様々な方向に広がります。この”すきま”をたくさん規則的に並べたフィルム(回折格子)を光が通り抜けると、図2のように隣同士の光が重なります。この時、光の波長により、山と谷が重なったり、山と山がぴったり重なったりする特定の方向があります。これは、方向によって進んだ距離が変わるためで、山と山が強め合う方向の光だけが伝わります。このような光の性質を使って、図3のように光を色(波長)ごとに分解することができます。

図1 光がすきまを通りぬけると様々な方向に広がる図1 光がすきまを通りぬけると様々な方向に広がる
図2 回折格子を光が通り抜けると隣同士の光が重なる図2 回折格子を光が通り抜けると隣同士の光が重なる
図3 分光の様子図3 分光の様子

製作 紙コップと発光ダイオードを使って不思議な万華鏡を作ります。

材料

  • 内側を黒く塗った紙コップ3個
  • 2次元回折格子フィルム2枚
  • 多色発光ダイオード、電池ボックス、抵抗、電線、単三電池3本(多色発光ダイオードではなく、単色の発光ダイオードを使っても構いません)

道具

  • カッター、はさみ
  • ビニールテープ
  • 穴あけ用針(ドライバ)

作り方

  1. 図4のように、内側を黒く塗った紙コップの底に、小さい穴をあけます。
    内側を黒く塗った紙コップ内側を黒く塗った紙コップ
    図4 紙コップの底に穴を開ける図4
    紙コップの底に穴を開ける
  2. 図5 四角形の窓を作り、回折格子を貼り付ける図5 四角形の窓を作り、回折格子フィルムを貼り付ける
    図5のように、別の紙コップの底の中央にカッターで0.8 cm×0.8 cm程の四角形に切りとり、窓を作ります。切りとった窓に回折格子フィルムを適当なサイズに切って貼りつけます。同じものを2個作ります。

    2次元回折格子フィルムが手に入らないときは、図6のように市販のCD-Rディスクで代用できます。ディスクを適当な大きさに切った後、記録フィルムをはがし(ガムテープを貼り付けて剥がしとる)、エタノールまたは洗剤で色素を取り除いて使いましょう。この際、ゴム手袋などをして色素が手につかないよう注意して下さい。ディスクの中心から同心円状に溝がつけてあります。溝の方向を変えて、2~3枚重ねてコップの窓に貼り付けてください。
    図6 CD-Rディスクで2次元回折格子を代用する図6 CD-Rディスクで2次元回折格子を代用する
  3. ①で作った紙コップと②で作った紙コップを、図7のようにテープでつなぎあわせて万華鏡の胴体を作ります。
    図7 万華鏡胴体の作製図7 万華鏡胴体の作製
  4. もう一方の回折格子フィルムが貼ってある紙コップを、図8のように万華鏡の胴体にかぶせます。かぶせた紙コップは自由に回せるようにテープなどでとめないでください。
    図8 万華鏡の完成図8 万華鏡の完成
    回折格子フィルムが貼ってある窓に目をあてて見ると、光が虹色に広がっていろんな方向に輝く様子が見えます。かぶせた紙コップを回転させると、虹のもようが回転する様子を楽しむことができます。
  5. ④の万華鏡を改造してみましょう。胴体の側面に穴をあけ、多色発光ダイオードを差しこみます。適当な大きさの抵抗を使って明るさを加減してください。底の中央部の穴は黒いテープでふさぎます。発光ダイオードに電池をつなぐと、いろんな色に光輝く万華鏡の完成です。

    図9 万華鏡の改造

    完成した万華鏡を見てみましょう。多色発光ダイオードがいろんな色に変わり、いろんな色合いのもようが見えるようになります。紙コップを回転させると、美しい光のもようが回転しながら現れ万華鏡のように見えます。
    図10 万華鏡のようす図10 万華鏡のようす
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