実験４ 光の直進 → 屈折 → 全反射
2016 10 31（月）〜11 2（水）
理科室
はじめに
前時『実験３光の屈折』で学習したことは、（１）光は直進する、（２）違う物質へ進入する場合、進入方向と境界面が垂直なら直進する、（３）進入方向が斜めの場合は屈折する、でした。本時はそれを受けて、さらに斜めにすると光が進入できなくなる現象『全反射』を学びます。
図１：本時の学習プリント原稿（クリックすると拡大します）
本時の目標 |
準 備
| 生 徒 | 教 師 |
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授業の流れ
（１）本時の授業内容の紹介 （１分）
授業は、前後半の２つにわかれます。
前半は『光の直進→屈折→全反射』の理論と演示実験、後半は全反射の生徒実験です。
（２）理論の確認：光の直進→屈折→全反射 （15分）
学習プリント左半分（図２）を使います。プリントに書かれて半円形の物体は、透明なものなら何でもかまいせん。プラスチック、ガラス、水などです。
図３：学習プリント左半分半円形の弧（こ）の外側にある点Ａ〜点Ｅから、レーザー光線を発射します。照射方向は、半円形の中心です。図３の点Ｅを見てください。その方向を破線で示しています。
さて、ここで問題です。
問題：レーザー光線は直進しますが、物体との境界でどうなるでしょう？
次の◯◯に２文字を入れてください。光は◯◯する。
まず、考え方を紹介します。前時『実験３光の屈折』で学習したように、違う物体へ進入した光の速さは変わります。遅くなったり速くなったりします。しかし、この場合、光は境界線に対して垂直に進入しているので、左右のタイヤが同じように遅くなったり速くなったりするので、境界で一方のタイヤだけ進むこと（屈折）はないのです。したがって、答は直進です。
図４：光の直進、屈折、全反射図４は、５つの点Ａ〜点Ｅから照射されたレーザー光線が書かれています。半円形に入る部分では、いずれも直進しています。その理由は、上で説明しました。すべての光は中心に向かいます。
次に考えることは、中心にたどり着いた光が進む方向です。点Ａと点Ｂ〜点Ｅの２つに分けて調べてみましょう。
点Ａの光
直進します。理由は、上で説明したように境界面に対して垂直だからです。点Ｂ〜点Ｅの光
屈折します。屈折する割合は、入射角によってかわります。初めは少しですが、どんどん急になっていきます。点Ｂと点Ｃの光は屈折しています。しかし、点Ｄと点Ｅは屈折し過ぎて出られなくなり、境界面で鏡のように反射します。この現象を『全反射』といいます。これらとまとめると、直進→屈折→全反射、となります。なお、点Ｄと点Ｅのより正確な表現は「光が（空気中へ）出られなくなる」ではなく、「光が空気中へ入れなくなる」です。空気中へ入射できなくなくなる、と考えるのです。
（３）演示実験：光の直進→屈折→全反射 （５分）
大型水槽を使って、（２）の検証実験を演示します。詳細は別ページ『水槽を使った光の屈折2（全反射）１年（2002年）』をご覧ください。
（４）授業前半の点検（５分〜10分）
生徒は自分のプリントに書いたら、先生のところへ持って行き、点検を受けます。点Ａ〜点Ｅからの光線は、図４のように色分けしていれば問題ありませんが、ない場合は、確実に名称『Ａ’〜Ｅ’』があることを確認してください。きちんとできていない場合は、何回でもやり直しをさせます。
全員合格したら授業前半終了です。以下の後半に進んでください。
（５）生徒実験：茶碗の中に浮かぶコイン （理論：10分、実験：７分）
学習プリント右半分を使います。まず、理論を学習してから、実際に確かめます。
図５：浮かぶコインの理論図５左図は、茶碗にコインを入れ、茶碗のぎりぎりのところに目を合わせた様子です。目の位置を動かさないようにして、茶碗に水を入れます。すると、水と空気の境界面で光が屈折します。この場合は、コインから出た光です。コインは光を出しませんが、コインが見えるのは（結果として）コインが光っているからです。その辺は正確に説明することなく、スルーすることをお勧めします。
コインから出た光が屈折する方向は、図５右下図を書いて説明すると良いでしょう。前時『実験３光の屈折』 に学習したものと同じなので、大多数の生徒が納得します。
図６：茶碗に水を入れ、コインが浮かぶように見える現象を確かめる様子
（実習６ 光の直進、屈折、全反射の作図１年（2002年）から）
（６）生徒実験：丸底フラスコに消えるコイン （５分）
実験手順だけを解説したら、すぐに各班で実験を行います。
図７：消えたように見える高さフラスコを持ち上げてくれたＡ君
図８：水を満たした丸底フラスコに、小さな赤い物体を入れる様子
図９：高さを変えて見ると、赤い物体が消えたように見える
図10：実験スナップ写真実験を十分に楽しんだら、その理論を考させます。以下は別ページ『消える石の秘密（１年2002年）』の転載です。（５）茶碗の中に浮かぶコインと同じです。応用になりますが、みなさんも考えてくください。
図11 |
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図16 |
図11〜図16：角度を変えてみた丸底フラスコ（『消える石の秘密（１年2002年）』から）
（７）片付け、考察 （10分）
図16：本日の板書（クリックすると拡大します）
授業を終えて
前半の作図は、全員できていることを個別点検できました。そして、後半の実験は全員で楽しんでいたようです。洗練された授業展開で、生徒が十分に満足できる１時間に近づいたと思います。