水を入れた容器の底にある模様が、実際より持ち上がって見える。ここで「水がレンズになるから」とだけ答えてしまうと、次に光の道すじを描く問題で手が止まります。まず確かめたいのは、模様が動いたのか、それとも目に届く光の向きが変わったのか、という違いです。
このページでは、平らで静かな水面を、空気中から見下ろす場面を考えます。曲面の水槽を横から見る場合は、容器の壁の形まで関わります。同じ「水中を見る」でも、条件をそろえないまま一つの説明にまとめないようにしましょう。
見えている場所と、物がある場所を分ける
容器の底に印を固定してから水を注いだとします。底も印も移動していません。それでも見かけの位置が変わるなら、印そのものの位置を原因にはできません。実際の位置は定規などで別に確かめ、見え方の変化と分けて記録します。
物が見えるのは、その物から来た光が目に入るからです。底の印を照らす光が反射し、水中を進み、水面を通って目に届きます。「目から線を出す」と描き始めると、どちらへ進む光を説明しているのか混乱しやすくなります。作図では、先に印を点で示し、最後の行き先として目を置きます。
境界で変わるのは光の進む向き
光が水から空気へ斜めに出るとき、光は水面で屈折します。角度を比べる基準は、水面そのものではなく、水面に垂直に引いた線です。この線を法線といいます。水から空気へ出て目に届く光は、法線から離れる向きに曲がります。
「水面から離れる」と覚えるのはおすすめしません。法線から離れることと、水面から離れることでは、角度の増減が反対になるからです。図の余白に短い垂線を足し、その線と光の間に角度の印を付けるだけで、説明の取り違えを減らせます。
目に入った向きを、後ろへ延ばす
私たちは、目に届いた光の向きから物の位置を捉えます。空気中を進んできた光を、水中側へまっすぐ逆向きに延ばしてみましょう。図では、この補助線を実際の光と区別して破線で示しています。破線の上を光が通ったわけではありません。
近い方向から目に入る光をたどると、実際の印より水面に近い側から光が来たように見えます。これが、底が浅く見えるということです。一本の光だけで見かけの位置を完全に決められるわけではなく、図はその考え方を示す模式図です。水面で曲がった線と、目に届く向きの逆延長を区別できれば、小学生の段階でも理由を説明できます。
なお、法線に沿って境界を通る一本の光は、向きを変えずに進みます。それだけを取り出して「上から見ると屈折は関係ない」と結論づけるのも早計です。目には幅のある光の束が入り、その中には斜めに境界を通る光も含まれています。
棒が曲がって見える場合も、境目を探す
水に斜めに差した棒が、水面付近で折れたように見えることがあります。この場合も、棒を取り出して本当に曲がったかを確かめれば、形の変化と見え方の変化を分けられます。空気中の部分から来る光と、水中の部分から来る光では、目に届くまでに通る境界が異なります。
ここで、棒の上半分と下半分を同じ方向へ一律にずらして描く必要はありません。目の位置や棒の傾きでも見え方が変わるので、「どの部分からの光が水面で曲がるか」を先に押さえます。写真だけから、見かけのずれの長さまで勝手に決めないことも大切です。
例題1：曲がる光の図を選ぶ
平らな水面の下にある点Pから、空気中の目へ光が届きました。水面に垂直な線との角度は、水中側で小さく、空気中側で大きく描くべきでしょうか。それとも逆でしょうか。理由も説明してください。
答え・解説： 水中側で小さく、空気中側で大きく描きます。水から空気へ出る光は、法線から離れる側へ曲がるためです。角度を水面から測ってしまうと答えが逆転します。点Pから水面までを描いたら、境界に法線を書き込み、その法線からどちらへ離れるかを判断します。
例題2：本当に底が動いたのか
底に印を付けた透明な容器を固定し、見る位置も固定しました。水を注ぐと印が浅い位置に見えたので、Aさんは「水の力で底が上がった」と考えました。この説明を確かめるため、何を見え方とは別に調べればよいでしょうか。
答え・解説： 容器の底の実際の位置が変わったかを、外側の目盛りなどで確かめます。底が同じ位置にあるなら、底の移動では説明できません。水が加わったことで、印から目へ届く光が通る物質と境界が変わった、と考え直します。「そう見える」と「物がそこにある」を同じ事実として扱わないのがポイントです。
確認は安全な容器で、位置を固定して
浅く見える水辺を、見た目だけで安全と判断してはいけません。観察は机上の小さな容器で行い、印と目の位置をそろえて比べます。水を入れるときに顔を動かしたり、容器を持ち上げたりすると、屈折以外の条件まで変わってしまいます。
解き直しでは、「水面」「法線」「実際の光」「逆延長」の四つを別々に指さして説明してみてください。光の図は、線をたくさん描くほど正確になるわけではありません。それぞれの線が何を表すかを言えることが、次の作図につながります。
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