一枚なら向こうが見える板を、二枚重ねて回したら暗くなった。板を増やしていないのに明るさが変わるので、「厚くなったから」という説明では足りません。この実験で見たいのは、二枚の偏光板の向きの関係です。
偏光は、光の色とは別の性質です。赤い光を通すフィルターを扱ったことがあっても、その知識だけで今回の結果を決めないようにしましょう。まず、実験で変えたものを指で示す。「板の枚数」ではなく「片方の板の向き」。そこが説明の出発点になります。
光の進む方向と、振動の方向は別
光には、進む方向に対して垂直な向きの振動という性質があります。普通の光にはさまざまな振動方向の成分が含まれますが、直線偏光板を通すと、特定の向きの成分が取り出されます。これを直線偏光と呼びます。ここでは、円偏光板などの別の道具ではなく、同じ種類の直線偏光板二枚を考えます。
板に描いた線は、光の振動を通す方向を示す目印です。実際に大きな縦のすき間が開いているという意味ではありません。また、線を縦に描いたからといって、光が上へ曲がって進むわけでもありません。光の進行と振動を一つの矢印で表そうとすると混乱します。進む道筋は板を通って目へ、振動の目印は板の面の中、と分けます。
一枚目を通った光を、二枚目に入れる
二枚の通す方向が平行なら、一枚目で取り出された成分は二枚目も通りやすくなります。二枚を直交させると、その成分を二枚目がほとんど通さないため暗く見えます。実物の板は完全ではないので、どの製品でも一切の光がなくなる、とまでは言い切りません。
大切なのは、机に対して縦か横かという絶対的な向きではありません。二枚が互いにどう向いているかです。二枚を重ねたまま一緒に同じ角度だけ回しても、二枚の方向の差は変わりません。ただし、この比較では入射する光の性質と明るさを同じにします。液晶画面など、すでに偏った振動の光を出すものを光源にすると、光源との向きの関係も考える必要が出てきます。
暗くなった理由を、色の混合にしない
赤い絵の具と青い絵の具を混ぜたときの説明を、そのまま偏光板へ持ってくることはできません。この実験では、同じ二枚を回しただけです。新しい色の材料を加えたわけではありません。「通る振動の方向が合うかどうか」が、今回使う判断材料です。
観察するときは、二枚の間に別の透明な物を挟まない状態から始めます。プラスチックなどを入れると、光の状態が変わって模様や色が見える場合があり、二枚だけの比較とは条件が違ってしまいます。一つの結果から説明を作るには、まず余分な条件を取り除き、何も挟まないときの明暗を確かめるのです。太陽を直接のぞく観察には使いません。
例題1｜両方を同じ角度だけ回したら？
偏りのない同じ光を、二枚の直線偏光板に垂直に当てます。最初は通す方向が二枚とも縦で、明るく見えました。この二枚を同時に30度ずつ同じ向きに回します。二枚の向きの差は何度ですか。直交したときのように暗くなると考えてよいですか。
答え・解説： 向きの差は0度のままです。どちらも同じだけ回したので、平行という関係は保たれます。したがって、直交した場合のようには暗くなりません。目印の線を二本描いて、両方を傾けてみると確かめられます。「回したら暗い」という丸暗記では、片方だけ回した場合と区別できません。
例題2｜180度回すと、通す方向は逆？
同じ条件で、一枚目の通す方向を縦に固定します。二枚目も最初は縦で、そこから90度、さらに90度回して合計180度にしました。90度の位置と180度の位置では、どちらが明るく見えますか。
答え・解説： 180度の位置です。90度では通す方向が横となり、一枚目と直交します。180度では線は再び縦になります。通す方向は、上向きだけを通して下向きを通さないという矢印ではなく、一本の軸として考えます。半回転すると平行な関係に戻るので、明るさも戻ります。
数字を増やす前に、比べる二本を描く
偏光の明るさを詳しく計算する方法はありますが、この段階では公式を増やすより、どの二本の方向を比べたかを確実にしましょう。板の外枠が四角でも、外枠の辺が必ず通す方向と一致しているとは限りません。問題に描かれた目印や説明を使って読み取ります。
図に二本の線を書いたら、「平行」「直交」「その途中」のどれかを言葉にします。次に、光が最初の板を通った後の状態から二枚目へ進みます。この順番でたどれば、板が黒く変色したのか、光の通り方が変わったのかという取り違えも減らせます。見た目の結果と、道具が選んだ光の成分をつなげて説明してください。
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