物理授業実践記録
ナチュラリストのための物理学
−他教科に広がる物理教育の試み−
駒澤大学高等学校　常勤講師
宮林　稔
　
1．博物学への憧れ
　物理に限らず、自然科学の面白さは「Sense of Wonder」、すなわち自然への驚きにあります。
　例えば、私たちはなぜ地球が自転していることに気づかないのでしょうか？足元が動いているのか止まっているのか、そのちがいは見た目ですぐわかりそうなものです。でも、実際にこれを見分けるのは難しい。
　この謎を解いたのは16世紀のガリレオ・ガリレイという人物ですが、彼がこの発見をした日から、世界は一変してしまったにちがいありません。
　私はガリレイが活躍していた頃の時代が好きです。博物学的な好奇心に満ちていて、科学もまだ現在ほど細分化されていませんでした。
　物理は物理、地学は地学、理科なんて教室を出てしまえば無縁のもの。そう考えがちな生徒を見ているうちに、自然界の様々な事物のつながりを読む授業をしてみたいと思うようになりました。
　これは物理の実践記録ですので、物理の一例を挙げて、そこから他教科への跳躍を試みようと思います。
　
2．カメラ・オブスキュラ
　直訳すると「暗い部屋」。針穴写真は、光学分野の中でも個人的に大好きな実験の1つです。
　授業では真っ暗な実験室に電灯をぽつりと灯し、

　　「ものが目に見えるのはなぜか？」
　　「色とは何か？」

　と問いかけることから始めます。
　着目してもらいたいのは、「光が瞳孔に入ると物が見える」「光は物に反射すると色が変る」ということ。直接光でも反射光でも見えるしくみは同じです。光はまっすぐに進み、何かにぶつかると反射して、相手の色を帯びます。

　　「人によって似合う色と似合わない色があるのはなぜか？」

　などという問題も、この光の反射が原因です。
　話は跳びますが、「睡蓮」で有名な印象派の巨匠、モネの絵にはある色が使われていません。何色だかわかりますか？
　答は「黒」。風景画というと、我々は陰の部分を黒く塗りつぶしがちですが、よく観察すると陰の部分にも様々な色が映りこんでいて、モネはその辺を巧みに表現しています。

　次に「像」の話に進みます。
　[1] サークル型の蛍光灯の下に、小さい穴をあけた黒画用紙をかざす。
　[2] 「暗い箱」に小さい穴をあけ、外の世界に向ける。（図1）

図1「暗い箱」−表には直径7mmの穴。裏面はトレーシングペーパー。

　この場合、果たしてどのような結果が得られるでしょうか。

　[1] ではCの字型の像が机の上に落ちます。
　ちょうど蛍光灯の各部から穴に向って射し込んでくる無数の光線を、1つの穴で束ねたような感じです。

　木々の梢からこぼれる光を見たことがありますか？木洩れ日が丸いのは太陽が丸いせいです。葉と葉の隙間が「ピンホール」となって、地面の上に無数の太陽の分身がこぼれ落ちているのです。
　機会があれば、日食のときに木洩れ日を観察してみて下さい。「分身」たちが一斉に形を変える所が見られるはずです。（言葉を失います！）

　[2]では外の風景が上下左右逆さまになって映ります。（図2、図3）

図2 外の風景が逆さまに 図3 全体（映っているのは廊下の窓）

　明かりを消した瞬間、像が浮かび上がる様子は何度見ても感動的。箱の前を人が通り過ぎると、像の方でも逆さまになった人が通り過ぎます。

「えっ、カラーなの？動いているし」と生徒。
「ここにフィルム（印画紙）があれば写真が撮れるでしょ」と私。
　実際、カメラなんてこんなものなのです。

　この後、原理の話をして、穴の大きさと像の鮮明さの関係に着目させます。穴が小さいほど像は鮮明になりますが、画面は暗くなり、肉眼では見えなくなってしまいます。

私 「光の量と鮮明な像、両方を得るためにはどうしたらいいかな？」
生徒 「レンズ？」
私 「そうですね。ただ、レンズを使うと焦点というものができてしまうため、またいろいろと工夫が必要になってくるのだけど」

　授業ではこの後、空き缶を持ってきてもらい、カメラ作りに1時間、撮影と現像に2時間程度かけて、レンズの話、すなわち幾何光学の分野へと話を進めました。
　3年生のあるクラスでは「卒業写真を撮ろうよ」という声が上がり、グループごとで記念撮影となりました。
　写真は紙ネガなので、スキャナーで読み込んで、白黒反転と左右反転をかけています。（図4）


図4 卒業写真（植え込みから撮影）
　
3．他教科への跳躍
【芸術】
　17世紀に活躍したフェルメールの絵画にはカメラ・オブスキュラが用いられています。描きたい風景の前に「暗い部屋」を作り、穴をあけ、壁に貼ったカンバスに映った風景をなぞったのではないかと言われています。
　同時代、同じ場所（オランダのデルフト）に顕微鏡で有名なレーウェンフックが住んでいました。細胞もそういえば「Cell（部屋）」でしたね。カメラと細胞の語源がいっしょなのは興味深いところです。
　レーウェンフックの死後、彼の遺産管財人をフェルメールが務めています。
　絵画自体は「絵を読む」というテーマで、「情報」で取り上げました。
同じ絵を見ているのに、読み取れる情報が人によって異なるのはなぜなのでしょうか？興味のある方は以下の「絵を読む」をご覧下さい。

【理科総合】
　生物分野で、「花粉の顕微鏡観察」と「ニワトリの頭の解剖」を行いました。花粉の構造には虫に運んでもらうための工夫がいっぱい。でも、虫のいない冬に花を咲かせる植物は一体何に花粉を運んでもらうのでしょうか。
　答は「鳥」です。冬の花は匂いが無く、色で鳥を引きつけます。鳥の脳を観察すると、嗅葉が未発達で、視葉と視神経の太さが目立ちます。対応関係が一目瞭然。背の高い生物、空を飛ぶ生物にはそうした傾向が見られるようです。
　昼行性と夜行性、眼球のつくりにはどのようなちがいがみられるでしょうか。

【情報】
　情報ネットワークが抱える問題点、「ボトルネック」とは何か。人の眼球は鳥の眼球とどこが異なるのか。そんな話をしました。
　人の眼球は視細胞に比べて視神経が非常に少なく、情報を適当に省いて外界を見ています。「デジタル化」は人の目が粗いゆえに可能となります。
　こちらも、興味のある方は以下の「ボトルネックとパイプライン」をご覧下さい。画像は大きいので、別にまとめてあります。
　
4．自然に切れ目はない
　以上が私の中ではひと続きの話になっています。「暗い部屋」「細胞」「眼球」「顕微鏡」などをキーワードに、ゆるやかなつながりを持つ好奇心の環を感じていただけるでしょうか。
　昨年は物理のみならず、理科総合や情報を任されたこともあって、このような試みが可能となりました。
　様々な教科で内容につながりを持たせることで、個々の学問が教室の中だけに止まるものではないこと、科学が雑多な好奇心から生まれたものであることを、高校生に感じてもらえたらと願っています。

参考文献：「日曜日の遊び方 針穴写真を撮る」田所美恵子 著　雄鶏社