透明なシャボン液から作った泡に、赤や青や緑の模様が見えます。もし液の色だけが原因なら、なぜ同じ泡の中で色が移り変わるのでしょうか。ここで見たいのは、シャボン玉に入れた色素ではなく、薄い膜に当たった光の振る舞いです。
シャボン玉の色には、膜の表側と裏側で反射した光が重なり合う「干渉」が関係します。白い光にはさまざまな色の成分が含まれています。膜の厚さや見る角度によって、ある成分が強く、別の成分が弱く見えるため、色の模様が現れます。
表と裏から戻った光には、道のりの差がある
膜へ来た光の一部は表面で反射し、別の一部は膜の内部へ進んでから裏側で反射します。二つは同じ場所から同じ道を通って戻ってくるわけではありません。図では、厚さを大きく誇張して、二つの経路を分けています。
実際の色を決めるには、膜の中での光の進み方や、反射による波の位相の変化も考える必要があります。そのため、図の線の長さだけを測って「赤になる厚さ」を計算することはできません。中学受験の読解では、問題文に色と厚さの対応が与えられた場合、その条件を使って判断しましょう。
虹と同じ色でも、しくみは同じとは限らない
空の虹では、主に水滴の中での屈折や反射と、色による曲がり方の違いを考えます。シャボン玉の膜の色は、薄い膜で反射した光の重なりが中心です。どちらも虹色だからと、同じ光の道筋を描いてはいけません。
シャボン玉の表面では液が流れ、蒸発も起こります。その結果、場所や時刻によって膜の厚さが変化し、色模様が動くことがあります。ただし、色の動きだけから液の流れの速さを直接求めるには、色と厚さの関係など追加の条件が必要です。
例題1 色の原因を調べる条件
同じ透明な液で作った膜を白色の照明で見たところ、見る位置を変えると色模様が変わりました。次のうち、この結果に合う説明はどちらでしょう。ア「液に一度固定された色だけで模様が決まる」。イ「膜と光の条件によって見える色が変わる」。また、位置を変える比較でそろえたいものを一つ挙げてください。
答え・解説： 合うのはイです。同じ液でも見方で変化するので、固定された液の色だけでは説明できません。照明の種類や膜を観察する時刻をできるだけそろえます。時間が長くずれると、見る位置だけでなく膜そのものの厚さも変わる可能性があります。
この結果だけで、干渉の細かなしくみをすべて証明したことにはなりません。ある説明では結果を説明しにくいことと、別の説明のすべてが確定したことを区別すると、実験の記述が丁寧になります。
例題2 厚さの模型で比較する
膜を垂直に通る光の道のりを考える簡略模型で、表面で戻る光に比べ、裏面まで往復する光は膜の厚さの二倍だけ余分に進むとします。厚さを30単位から20単位へ変えたとき、余分な道のりは何単位減りますか。この答えだけで、何色になるか決められますか。
答え・解説： 初めは30×2＝60単位、後では20×2＝40単位なので、20単位減ります。ただし、これだけでは色を決められません。単位の実際の長さ、光の波長、屈折や反射で生じる変化などの情報がないからです。この模型は往復する距離の理解に使うもので、色を数値予測する式ではありません。
膜の厚さと、泡全体の大きさを混ぜない
大きなシャボン玉だから、膜も必ず厚いとは限りません。泡全体の直径は、中の空気を包む球の大きさです。一方、膜の厚さは、外側と内側の表面の間のごく薄い幅です。図で二本の線が離れて描かれているときは、どちらの長さを表しているかを確かめてください。
同じ量の液がより広い面へ均一に広がる理想模型なら、膜は薄くなると考えられます。しかし、実際の泡では液がたまる場所や流れがあり、途中で液が失われることもあります。「直径が二倍なら厚さも二倍」という推測には根拠がありません。
観察では、暗い背景に白い照明を反射させると模様を見やすくできます。液を目や口へ入れず、床へこぼして滑らないよう、少量を受け皿の上で扱います。太陽を直接見たり、強い光を目へ向けたりする必要はありません。
色の名前を覚えて終わるより、「同じ液なのに、何を変えると色が変わるか」を問いにしてみましょう。膜の厚さ、角度、照明を一つずつ区別できれば、美しい模様が、条件を読み取る実験の題材になります。
模様を比較する写真には、背景の色も残しましょう。泡には周りの景色が映り込み、膜そのものの干渉色と重なって見えるからです。赤い服の前で赤く見えた部分を、すぐに特定の膜厚の証拠にはできません。背景を無彩色にそろえる、照明の位置を固定するなど、見たい変化以外を減らす工夫が必要です。美しい写真を撮る条件と、原因を切り分ける実験写真の条件は、同じとは限りません。
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