雪と氷の世界

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面発生乾雪表層雪崩の破断面(著作者名:伊藤陽一)

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斜面上の雪俵(著作者名:伊藤陽一)

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雪と鉄道

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スプリンクラーによる線路融雪_1(著作者名:佐藤篤司)

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雪の長岡駅と鉄道(著作者名:佐藤篤司)

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スプリンクラーによる線路融雪_2(著作者名:佐藤篤司)

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雪の結晶

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雪結晶の顕微鏡写真(普通樹枝)北海道大雪山系旭岳にて撮影(以下同じ),結晶の径は3.1mm(著作者名:油川英明)

雪結晶の顕微鏡写真(普通樹枝)北海道大雪山系旭岳にて撮影(以下同じ),結晶の径は3.1mm(著作者名:油川英明)

雪結晶の顕微鏡写真(星状六花)結晶の径は2.0mm(著作者名:油川英明 )

雪結晶の顕微鏡写真(星状六花)結晶の径は2.0mm(著作者名:油川英明 )

雪結晶の顕微鏡写真(広幅六花)結晶の径は1.3mm(著作者名:油川英明)

雪結晶の顕微鏡写真(広幅六花)結晶の径は1.3mm(著作者名:油川英明)

雪結晶の顕微鏡写真(羊歯状六花)結晶の径は3.5mm(著作者名:油川英明)

雪結晶の顕微鏡写真(羊歯状六花)結晶の径は3.5mm(著作者名:油川英明)

アラスカで見た霜ザラメ雪 アラスカ内陸では巨大な霜ザラメ雪が発達します。スケールの最小メモリは1mmです。(著作者名:佐藤篤司)

アラスカで見た霜ザラメ雪 アラスカ内陸では巨大な霜ザラメ雪が発達します。スケールの最小メモリは1mmです。(著作者名:佐藤篤司

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・タイトル名、説明文(省略可)、全著作者名、添付ファイルで送る画像のファイル名を記入してください。

・添付する記入後の無償利用許諾書のファイル名は提供者名&提供日をyymmddで記載&”_許諾書.doc”としてください。鈴木太郎さんが2011年2月1日に投稿した場合には“鈴木太郎_110201_許諾書.doc”となります。

・自筆の署名のページは印刷し、署名後、スキャンしたpdf画像ファイルもご投稿ください。ファイル名は上記の”許諾書.doc”を”自署.pdf”に変更してください。

自著記入例

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雪と氷の画像素材集

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公益社団法人 日本雪氷学会では、学会員の研究・教育成果の公開、およびそれらの一般の方の利用を支援する事を目的に、「雪と氷の画像素材集」を設けました。

本ページは、会員の提供による雪や氷に関わる画像を掲載 し、一定の条件のもとに一般の方々に利用していただくものです。

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雪と氷の実験と工作

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みなさんの自宅でもできる雪と氷の実験や工作をご紹介します。ぜひ試してみてください。

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お問い合わせは、joho@seppyo.orgにお願いします。

タイトル 著者
実験で作ろう!雲の模様~カルマン渦列~ 本谷 研 (秋田大学教育文化学部)
過冷却水を作ろう!く~るクールくん 藤野 丈志 (株式会社興和)
雪結晶の万華鏡を作ってみよう! 水津 重雄 (科学体験クラブ府中)

関連ホームページ

実験で作ろう!雲の模様~カルマン渦列~

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実験で作ろう!雲の模様~カルマン渦列~


ドライアイスとお湯で霧を作り,空気の流れを見られるようにする実験です.実験机の上にカルマン渦列,前線や竜巻などをつくってみましょう!

本谷 研 (秋田大学教育文化学部)

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1. はじめに

ドライアイスとお湯で霧を作り,空気の流れを見られるようにする実験です.実験机の上にカルマン渦列,前線や竜巻などをつくってみましょう!(ただし,ドライアイス・お湯による凍傷・やけどにはくれぐれも
注意
してくださいね!!).

流れの中に置かれた物体の風下方向には不思議な渦巻きができることがあります.この渦(=カルマン渦)をつくってみましょう.人工衛星の画像をみていると海上の周りに何もない島などの風下に雲列としてカルマン渦が観察されることがあります(図1).


図1: 島の周りのカルマン渦(矢印)

ここでは風を吹かす代わりにビー球をドライアイスの霧の中に転がしてその後ろ側にできるカルマン渦を観察します(図2).水面に墨を流したところに,割りばし等を入れて動かしても同様のものができます.


図2

2. 消耗品と器具

消耗品

ドライアイス(粉状ではなく固まりのもの,1kgの板状(図3参照)に加工してもらうと便利.一時間当り6kgあると20~30人で繰り返し実験ができる)とお湯(20リットル以上,途中で補給できることが望ましい).


図3

器具

お湯を入れて大丈夫な広口の容器(例えば水槽),軍手(多数),アイスピック,ハンマー,廃段ボール(ドライアイスの下準備用).この他,片付け・水の処理用に雑巾多数があると望ましい.

3. 方法

準備

  1. ドライアイスおよびお湯を用意する.
  2. ドライアイスは板状またはブロック状のものをアイスピックやハンマーで1cm角以下の細かい塊に崩しておく(図4参照,加工時はかならず軍手を着用する.下に廃段ボールを敷き,床を傷めないようにする→図5参照).


図4


図5

実験

  1. 水槽の空気をドライアイスで冷やすと同時にお湯+ドライアイスで適当な量の霧を発生させておく(図6の①) .
  2. その後,ドライアイス寒気を黒い実験机の上に流し(図6の②),一定の厚みの霧が維持されるように霧層を作っておく.
  3. ドライアイス霧層の中へビー球を転がす.ビー球の速度がカルマン渦の発生条件を満たす速度範囲内ならばビー球の進行方向背後にカルマン渦(右巻,左巻が交互する渦)が観察できる.

ビー玉を転がす作業を観察者に行ってもらう.

観察者に「右・左巻き交互の渦ができること」「ビー玉を転がす速さがあまりゆっくりだと出来ないこと」を試してもらう.


図6: 霧層を作る

4. 注意すること(安全面で注意すること)

実験には,ドライアイスやお湯を使う.お湯は熱湯に近いものを使うし,ドライアイスは約-80℃と大変冷たく,素手で触れると大変危険であるので絶対に直接手で触れないよう注意させる(ドライアイスとお湯の扱いは基本的に大人が行うようにする).ドライアイスを触ってみたい観察者がいる場合は必ず軍手(2枚重ねが望ましい)を着用させる.お湯はなるべくこぼさないように注意する.

またドライアイスは気体の二酸化炭素になると約1000倍近い体積になるので容器に入れて密封したりしないように注意させる.ドライアイスを扱う時はときどき部屋の換気して酸欠を防止する

5. 解説

カルマン渦の由来

流れの中に渦ができることはかなり昔から知られていたが,カルマン渦について理論的な考察を行ったのはハンガリーの科学者セオドア・フォン・カルマン(1881生まれ1963年没)で,彼の名を取ってカルマン渦と一般に呼ばれるようになった.

カルマン渦ができる条件

流れの特徴を表す指標の一つにレイノルズ数がある.レイノルズ数(Re)の式は,流れの中に置かれた物体の大きさをD (m), 流速をU (m/s),流体の動粘性係数(粘り気を表す物性値,空気の場合は、1気圧、25℃で15.4×10-6(m2/s))をν(m2/s)として,

であるが,カルマン渦は102<Re<104の範囲で生じる.たとえば,1気圧,25℃の空気中でビー玉の直径が1.1cm、風速の代わりになるビー玉の移動速度をU(m/s)としてカルマン渦ができる速度範囲を求めると,0.14(m/s)<U <14(m/s)となり,手で素早くビー玉を転がすことで容易にカルマン渦ができること,14cm/s以下だとカルマン渦にならないことがわかる.

身近なところにあるカルマン渦

例えば、風が強い日に電線が「ビュービュー」と音を立てて鳴ることがあるのを多くの人は経験したことがあるのではないだろうか.これは,電線の周りにカルマン渦が発生し,その渦がはがれるときにこのような音を発するもためである(こうして発生する音を「エオルス音」という).縄跳びを跳んでいるときに,高速で回る縄が「ビュンビュン」と鳴るのも電線と同じ原理による.また,リード(振動部分)を持たない管楽器(フルートなど)で音を出すにもカルマン渦が関わっている.

訂正

平成25年7月1日 動粘性係数の誤記を訂正しました((誤)106 -> (正)10-6).

参考文献

[1] 高知大学気象情報頁:http://weather.is.kochi-u.ac.jp/(平成23年4月15日確認).

[2] 沢田石智,2011: カルマン渦実験による子どもの科学的探究心について, 平成22年度秋田大学教育文化学部卒業論文(指導教員:本谷 研).

[3] 白鳥敬,2010: 乱流と渦―日常に潜む不連続な“魔の流れ〟―,技術評論社,191pp.

過冷却水を作ろう!く~るクールくん

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過冷却水を作ろう!く~るクールくん


「く~るクールくん」は、水をパイプに通しながらゆっくり冷やすことで過冷却水を作ります。 過冷却水が目の前でできていく様子や過冷却水が凍っていく様子を観察できます。工作や実験手順は少し難しいですが、ぜひ挑戦してみてください。

藤野 丈志 (株式会社興和)

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目次

  1. はじめに
  2. く~るクールくんの作り方
  3. く~るクールくんで過冷却水を作ってみよう
  4. 過冷却水を観察してみよう

1. はじめに

図-1 氷が伸びる不思議な水・過冷却水

上の写真を見ると、パイプからでている水から氷がのびています。なぜでしょう?

この水はマイナスの温度になっていて、ふつうなら凍ってしまう温度です。 でも上手に冷やしてあげると、水はマイナスの温度になっても凍らないことがあります。

このような水を「過冷却水」といいます。

「く~るクールくん」は、水をパイプに通しながらゆっくり冷やすことで過冷却水を作ります。 過冷却水が目の前でできていく様子や過冷却水が凍っていく様子を観察できます。工作や実験手順は少し難しいですが、ぜひ挑戦してみてください。

図-2 くーるクールくん(ペットボトル過冷却水生成装置)

2. く~るクールくんの作り方

材 料

  • 500 mL入りのペットボトル 3 個
  • 水槽用エアーホース(直径 6 mm くらい、2~3 m くらいのシリコン製もの。ホームセンター、100円ショップなどで手に入ります) 【→手に入ればポリエチレン管(内径 3~4 mm くらい)もよい】
  • ストローアダプタ(雑貨店、ホームセンター、100円ショップなどで手に入ります)【→なくてもよい】

道 具

  • カッターナイフ
  • はさみ
  • ビニルテープ、
  • 接着剤(シリコンボンドか、ペットボトルやポリエチレンを接着できるもの)

※注意!
ペットボトルをカッターで切るときには、手を切らないように注意してください。むずかしいと思ったらおうちの人に手伝ってもらいましょう。

手順1:ペットボトルを切る

3 本のペットボトルをそれぞれ冷却タンク、水タンク、スタンドにします。 冷却タンクとスタンド用の 2 本は、飲み口側を切りとり円筒形の容器になるようにします。 水タンク用の 1 本は底近くで底を切りとります。

最初に切り込みを入れるときは力がいるので、おうちの人に手伝ってもらいましょう。

図-3 ペットボトルを切る

手順2:冷却タンクを作る

冷却タンクの切り口にエアーホースを通す切り込みを作ります。 図のようにエアーホースを通す穴を、ちょうど反対側になるように 2 か所を作ります。

エアーホースは、冷却タンクのなかでらせんをつくりながら少しずつ入れます。 片方は 5 cmくらい残してください。きれいに入れるのは少しむずかしいので、おうちの人に手伝ってもらいましょう。 次の説明の通り、あらかじめエアーホースを巻いて作るのも簡単です。

図-3 冷却タンクを作る
※エアーホースをきれいに巻く方法

ラップなどの筒にエアーホースを巻いて、上からテープでとめると簡単にできます。 ホースを巻いてもペットボトルに入るような大きさの筒を使いましょう。

図-4 ラップの芯に巻いて作ったらせん状のエアーホース
図-5 ホースの巻き方

手順3:水タンクとスタンドを作る

ストローアダプタには空気穴があいているので、あらかじめ接着剤でふさいでおきます。 水タンクのキャップをはずして、ストローアダプタにつけかえます。 スタンドは、底から 2 cm 位のこして幅 0.5 cm 位の切り込みを入れます。

ペットボトルのキャップをそのまま使うときは、ストローが通る穴をキリなどであけて短いストローをさしこみ、 水がもれないように接着剤ですきまをふさいで、ストローアダプタのように作ります。

図-6 水タンクとスタンドの作り方

手順4:組み立てる

エアーホースの余った部分を 15~20 cm のこして切り、ストローアダプタに差し込みます。 次に、水タンクが傾かないように、スタンドと水タンクをビニルテープでとめます。 最後に冷却タンクの切り込みにエアーホースをはめて、切り口をビニルテープでとめて完成です。

図-7 組み立て方
図-8 完成した「く~るクールくん」
図-9 冷却タンク内部の様子

3. く~るクールくんで過冷却水を作ってみよう

準備するもの

  • 工作でつくった「く~るクールくん」
  • 500 mL くらい入る容器 2 個
  • 深いお皿 2 枚
  • アルコール温度計
  • 計量スプーン
  • わりばし(かきまぜるための棒)
  • 水道水(1 回の実験で 500 mL くらい使います)
  • かき氷(1 回の実験で 400 g くらい使います(一般的な製氷皿 1 皿分。雪が積もっていたら是非雪を使いましょう)
  • 食塩(1 回の実験で 50 g くらい使います)

手順1:冷却液をつくる

水を 0℃より冷やすための冷却液を作ります。 水道水 150 mL、食塩 40~50 g(大さじ 3~4 杯)を容器に入れ、食塩が全部溶けるまでよくかきまぜます。 全部溶けたらかき氷(雪)200 g(直径 10 cmくらいの玉)を入れてよく混ぜます。

よくまざったら温度計で温度をはかりましょう。 食塩をふやすと温度が下がり、水道水をふやすと温度が上がるので、マイナス 7℃~マイナス 10℃になるように、食塩または水道水を追加しましょう。 また、かき氷(雪)が少なくなってしまったときは追加しましょう。

図-10 冷却液を作る

手順2:過冷却水にする水を作る

過冷却水のもとになる冷たい水を作ります。 かき氷(雪もしくは冷凍庫の氷でもよい)と水道水を容器に入れ、よくかきまぜます。

水道水のかわりにジュースなどのいろいろな飲み物を使ってもよいでしょう。(ただし、実験後のジュースを飲むのは避けてください)

図-11 過冷却水にする水を作る

手順3:過冷却水をつくる

  1. まず過冷却水が出てくる場所に受け皿をおきます。
  2. 過冷却させる水を氷ごと水タンクに入れます。 少しずつパイプの中に水が流れていくので、パイプの中の空気が全部ぬけてなくなるまで待ちましょう。
  3. 空気が全部ぬけたら冷却液を冷却タンクに入れます。中のパイプが全部しずむまで入れましょう。 ここで、受け皿をもう一枚と入れ替え、もとの受け皿にたまった水は水タンクにもどします。
  4. 受け皿の中に雪(かき氷、製氷皿の氷でもよい)をおきます。 1~2分待つと水は冷却タンクの中でマイナスの温度まで冷やされて過冷却水になって出てきます。
  5. 過冷却水の落ちる先に氷のたけのこ(氷筍(ひょうじゅん)といいます)がのびてきます。
図-12 実験手順

4. 過冷却水を観察してみよう

  • 過冷却水に触ってみましょう。
  • 過冷却水が凍って氷筍が伸びる様子を観察してみましょう。
  • 右の表を参考に、冷却液の温度をかえたり水の出る量を変えて、氷筍の形や伸びる速さを観察してみましょう。
表-1 過冷却水の温度と出てくる量のかえ方
方法 過冷却水の温度 過冷却水の量
スタンドを高くする 上がる 増える
スタンドを低くする 下がる 減る
冷却液の温度を下げる 下がる (変わりません)
冷却液の温度を上げる 上がる (変わりません)
図-13 過冷却水の温度がマイナス 2℃より低いときにできる氷筍

・白くにごった色で円柱形になります

図-14 過冷却水の温度がマイナス 1℃より高いときにできる氷筍

・透明で平たい形になります。

図-15 氷筍が伸びていく様子。

どのくらいの速さで氷筍が伸びるか記録してみましょう。

図-16 写真撮影の例

青い紙をうしろにおいて、カメラをマクロモード(チューリップマーク)にして、なるべく近くからフラッシュをつけて撮影すると、きれいな写真がとれます。

過冷却水が止まってしまったときは…

冷却液の温度が低すぎたり、よく食塩がまざっていなかったときなど、 パイプの中で水が凍ってしまい、過冷却水がとまることがあります。

次のような手順でもう一度実験しましょう。

  1. まず冷却液をもとの容器に全部もどします。
  2. パイプの中の氷がとけて、ふたたびもとの勢いで水が出てくるまでしばらく待ちます。
  3. 冷却タンクに冷却液を入れます。冷却液の温度が高くなっていた場合は、食塩とカキ氷を追加してましょう。
  4. 受け皿の水がたまっていた場合は、その水を水タンクに手早くもどします。
  5. 受け皿の中に雪をおきます。
図-17 やり直し手順

雪結晶の万華鏡を作ってみよう!

雪と氷の世界

雪結晶の万華鏡を作ってみよう!

万華鏡は、鏡の奥の模様が鏡に反射することによってできる複雑な画像を楽しむものです。最も一般的なものは、正三角柱の鏡によるもので、鏡の奥の模様が無限に反射することで、視野一杯に画像が広がります。雪の結晶は千差万別ですが、一つ一つの結晶は六方対称で、対称軸が六本あります。三角柱の鏡の一つの面を反射しないようにし、さらに残り二枚の鏡の角度を変えると、雪の結晶の形をみることができる万華鏡を作ることができます。皆さんも作ってみましょう。

水津重雄 (科学体験クラブ府中)

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材料と器具

材料

塩ビミラー(厚さ0.5mm)、工作用紙、ポリエチレン半透明板(厚さ1mm)、具材(プラスティックビーズなど)、透明幅広テープ(幅8cm程度)、セロテープ、両面テープ、のり

器具

定規、はさみ、カッター、カッター台、黒マジック

2. 作り方

準備

  • 出来上がりの形を知っておいた方が作りやすいので、図1に示します。
図1: 出来上がりの形
  • 図2に材料を示します。
図2: 準備を施した材料
  • 塩ビミラーは6.2x18cmに切り出し、青いシール側の面に中央にカッターで薄く切り目を入れ、3.1x18cmのミラー2枚がつながっているようにする。
  • 工作用紙で内筒、外筒と無反射紙を作る。内筒は9.8x18cmに切り、後で折りやすくするため、短辺の端から3.2cmの所に長辺と平行になるように、カッターで薄く切り目を入れる。短辺の端から4.9、8.1cmの所も同様にする。外筒は10.6x19cmに切り、内筒同様、3.4、5.3、8.7cmの所に薄く切り目を入れる。無反射紙は1.6x18cmに切り、裏面をマジックで真っ黒に塗りつぶす。
  • ポリエチレン半透明板は3.4×1.9cmに切る。これで、図2に示す材料が整う。

組み立て

  • 塩ビミラーと無反射紙で三角柱を作る。ミラーの青いシールをはがし、中央部を切り離さないように注意しながら折り曲げ、角度が約30度になるように、外側をセロテープで接着する。その面を上にし、無反射紙と0.5mm程度すきまを開けてセロテープで接着する(図3参照)。
図3: 組み立て前のミラー
  • ミラー内側の透明なシールをはがす。この面が反射面になるので、はがした面には触らないように気をつける。ミラーと無反射紙をセロテープで接着し、頂点が30度で、底面が無反射紙の三角柱を作る(図4参照)。
図4: 組立て上がったミラー
  • 内筒を折り畳み、四角柱にし、その中に鏡の三角柱を固定する。内筒の内側の一部に両面テープを貼り、三角柱のミラーの端と内筒の端が合うように合わせ、ミラーが動かないようにする。その後、内筒の外側をセロテープで接着し、筒状にする。
  • 内筒の端を透明幅広テープでふさぐように貼り付ける。8cm程度に切った透明幅広テープを接着面が上になるようにカッター台の上に置き、中央部に内筒の端を押し付け、筒の端の頂点それぞれから、カッターでテープを外側に向けて切り、切ったテープを筒の外側に接着し、固定する。
  • 外筒を折り畳み、四角柱にし、その中に内筒を固定する。外筒の内側の一部に両面テープを貼り、外筒の端と内筒の透明幅広テープでふさいでないほうの端がそろうように固定する。反対側では、外筒の1cmほど内側に透明幅広テープでふさがれた内筒の端が位置する。ここが具材を入れる空間になる。外筒の外側をセロテープで接着し、筒状にする。
  • 具材を適量(空間の1/3程度)選び、空間に入れる。それがこぼれないように、ポリエチレン半透明板で具剤を入れた空間でふさぎ、セロテープで仮止めする。反対の端からのぞいて、像が見えるか確認する。具材を替えたり、量を調節し、自分の好きな像が見えるようにする。その後、ポリエチレン半透明板を透明幅広テープで固定する。具材をたくさん入れると、具材が動きにくくなり、像が動かなくなるので、適当に調節する。
  • 外筒の外側にきれいな紙を貼って完成。

3. 注意すること

  • カッターやはさみは気をつけて使おう。カッターを使うときには、切るものをカッター台の上に載せ、定規(できれば金属製)をあて、カッターを手前に引きながら切る。あまり力をいれず、厚いものは何回か繰り返して引いて、切り離すようにする。
  • 鏡2枚と無反射紙で作る三角柱の鏡と鏡の間の角度が30度になるようにする。三角柱が組み上がったら、何かを覗いてみよう。視野が正12角形であれば、大丈夫。この三角柱の端を新聞の折り込み広告や文字から1cmぐらい離して覗くと面白い模様が見えるから、やってみよう。
  • きれいに見える万華鏡作りのポイントは、鏡と鏡の間の角度が30度になっていることです。できるだけ30度にちかくなるようにしてください。ミラー同士、ミラーと無反射紙の間に隙間ができないようにすることも大事です。セロテープを引っ張って接着すると、鏡がゆがむので、無理に引っ張らないようにしよう。また、内側のミラーにさわると、反射面が指紋で汚れてしまい、見える像も汚くなるので、さわらないように、注意しよう。

4. 解説

雪の結晶

雪は、上空で水蒸気が冷却され、水分子が集まってできます。雪の結晶は六方晶型になり、六方対称(六本の対称軸を持つ形)になります。実際の雪の結晶は、気温や湿度の条件により、平面方向だけでなく、垂直方向にも成長するので、千差万別の形になります。雪の結晶を、初めて人工的に作ったのは中谷宇吉郎先生ですが、先生の有名な言葉である「雪は天から送られた手紙である」は、雪の形には、上空の気象条件が反映されているということを示しています。

万華鏡

万華鏡にはたくさんの種類があるが、もっとも一般的なのは鏡が三枚で、正三角柱のもの。具材の模様が何回も対称に反射された像が視野内一杯に広がって見える。

図5. 鏡の中の模様
図6. 1回反射による像
図7. 2回反射による像
図8. 3回反射による像

ここで紹介する「雪結晶の万華鏡」では正三角柱の鏡ではなく、頂角が30度の二等辺三角柱です。正三角形の頂角は60度ですから、半分になります。また、底辺は、光を反射しないように、黒く塗りつぶしています。図9の模様が反射され、図10の像が見えます。二等辺三角形の底面が反射しませんので、視野は正12角形になり、六方対称の像を見ることができます。ここでの説明は、科学体験クラブ府中の山本肇さんのアイディアを参考にしました。

図9. 鏡の中の模様
図10. 雪結晶の万華鏡による像

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