光と音の学習で なにを どう学ぶか
（山形大理学部非常勤講師）
目次
私たちの外界についての認識、自然がどうなっているかを知るのは、直接には
感覚器官を通してである。物体の存在・形・色は目によって光で見る、物の動
きは耳によって音で聞くといったように。
そうすることによって私たちは、これまでに多くの認識を得てきたのだが、い
まは感覚器官はおいておいて、認識をもたらする光・音を認識の対象にしよ
う、学習しようというのである。私たちが外界から得ている情報の大部分は目
と耳によっている。「観天望気」(空を見、雲を観察し、風を聞き感じる)など
は、その最たるものである。
私たちの感覚は、光や音について鋭い。目・耳から質のよい情報が得られる。
そこで、さらによりよい情報を求めて、長い歴史の間に、私たちの感覚器官
は、ますます鋭敏になっていった。さらに強力に、情報を得るための器械を発
明して、精度の高い情報を、大量に収集するようになってきている。
光について学習するのは、その初歩においては、光の性質についてのもっとも
基礎的な事実、光は進むとき、直進・反射・屈折することについてである。
光が進んでいく、そのあり様を、車が進むのを見るように、見ることはできな
い。したがって、速さを測ることも、ふつうはできない。あまりに速いせいで
ある。にもかかわらず、光が進んでいくということが認識できるのは、光を出
すもと(光源)があって、その進行方向(と思われる所)に障害物をおいたとき
に、そこから先へは光は進まないことを見るからであろう。
そのこととともに、光が直進することは、身の回りに起る現象を気をつけて観
察することで、いくつも発見できる。たとえば、木の葉の間を通ってくる日
光(木漏れ日＝こもれび)や、雲間からさす太陽の光(光芒＝こうぼう)がそうで
ある。
しかし、自然現象は、ちょうど学習のそのときに起るとは限らないので、実際
には、さまざまな工夫をして、教室でも実験・観察 ができるようにしなけれ
ばならない。
光の実験・観察は逆説的な表現だが｢光のないところ｣(暗室)で行うことが、も
っとも重要である。光は暗やみで、よく見えるのである。｢光のないところ｣
は、ときには大きく教室全体を暗室に、ときには小さく暗箱(カメラ)を作って
実現する。
光の直進は単純な現象だから、おもしろくするには、それなりに工夫がいる。
さまざまなやり方がある中で｢ピンホールカメラ(針穴写真機)｣がいい。装置は
簡単である。他からの光が入らないようにした箱(四角でなく円柱でもいい)
に、小さな穴(ピンホール)を開ける。直径は 0.3 mm がもっともいい。穴と反
対側にスクリーンをおく。写真をつくるなら、スクリーンは印画紙にするし、
見るだけなら、すりガラスなどにする。
ピンホールカメラは距離がどうであっても、スクリーンに像はできる。違い
は、距離が長くなるほど像は大きくなり、暗くなることである。像の面積は距
離の二乗に比例するから、露出時間は4倍必要になる。露出時間の長いことを
逆手にとって｢動いているもののない写真｣を撮ることができる。写真は表現の
手段でもある。たっぷり時間をかけて総合的な学習の時間にやりたい。
(参考 田所美恵子『母と子の針穴写真』1993 美術出版社)
光の直進性は、像が上下左右逆にできることで理解される。外の景色が逆さに
映って見えるのは、ふしぎでもある。
かって滝沢馬琴は関西への旅行の途次、三河の木綿問屋でのふしぎな体験を『
覊旅漫録』に書き残した(1802)。それは｢納戸の戸の小さな節穴から美濃紙一
枚の中に十八間四方の風景がそっくりそのままさかさに映っているのを見た｣
というものである。このとき、子どもを表に出して像を見ている。現代では、
教室を大きな暗室にし、校庭に生徒を出してスクリーンに映し出す実践がなさ
れている。外の生徒が、跳んだり踊ったりするのを、スクリーン上で、その逆
さの像を見て、中の生徒たちはおおいにおもしろがったという。針穴はただ一
つだけのものが普通だが、数をまして、二つ・三つならどうか、光の直進性を
もとに推理し、実験してみることは、認識を確かなものにしてくれる。穴が二
つで、像が二つになったときに、｢こんど穴を三つにしたら、像も三つになる
ね｣｢もっと穴をふやしてー｣と、子どもが言ってくれたなら、教師はたいへん
満足できる。これこそ｢わかった！｣という証拠が得られたのである。光と影と
の関係で、光の直進性を確かめてみることもできる。この際、現実の光源は点
ではないから、光源の大きさはもちろん物体の大きさ・スクリーンの位置によ
って、本影・半影のでき方は違う。だから複雑でわかりにくいとも言えるし、
わかれば納得できておもしろい、ということにもなる。日食の見え方は好例で
ある。
ピンホールカメラでの光の直進性の確かめは、物体と針穴を結んだ直線の延長
線上に、その物体の像があるということによるのだが、もっと直截に、光がま
っすぐに進む、そのもの、光の道筋を見せるやり方がある。
現在、レーザー光などの強力な光が容易に使えるようになっているので、効果
的に見せることができる。しかし、ここで注意しておかなければならないの
は、そうやって見ているのは、空気中の小さな粒、先の例では雪片だったのだ
が、それらによる散乱光だということである。何もない空気中では、そこを通
る光を傍らから見ることはできない。
この｢散乱光によって見える｣ということは、もう一つのことがらを意味してい
る。それは｢光が目に入るから見える｣ということである。このことの理解には
重要な意味がある。
この理解によって光芒・光の道筋が見えたのは、そこから光がやってきて、目
に入るからであることがわかる。そうなったとき、光の進み方が対象化できた
ことになる。
光が進んで目に入ると、光がどういう径路をとっていても、ものは、その光の
向きに見える。日出の地平大気差などは好例である。
｢目に光が入るから見えるのだ｣ということの理解のためには、次の幼い子の試
みの話が有効かもしれない。試みたのは5.6才のアンリー・ファーブル、後年
の『昆虫記』の著者である。(『昆虫と暮らして』岩波少年文庫114)アンリー
はまぶしくかがやく太陽に向って考える。かがやかしい光は、口で受けている
のか、それとも目で受けているのか。口を大きく開けて目を閉じる。光は消え
る。目を開けて口をふさぐ。光は再び現われる。やりなおしてみる。結果は同
じ。｢わかった｣私は目で太陽を見るのだ。
ファーブルは、これが私の知恵の始まりだと書いている。たしかにそうだと私
も思う。認識の手段を自覚したことで、また自分の 考えをたしかめる実験の
方法を考えて実行したことで。こういう話を聞いても、中学生になると、こん
なことを試みるのは、恥ずかしいと思って、もうやらないかもしれない。しか
し、小学生なら喜んでやるのではないだろうか。
｢光が目に入るから見える｣ということは、光のないところでは、何も見えない
ということである。見えないことを｢やみ夜にカラス｣というが、カラスでなく
とも、やみ夜ではなにものも見えない。真っ暗な所を経験したことのない子ど
もたちに、暗黒がどういうものか、一度は経験させたい。
自然界にはさまざまなものが存在する。やってきた光は、ものとものの境で反
射し屈折する。このことによって、ものの存在が認識できる。つねに反射と屈
折が同時に起っている(光の一部は反射し残りは屈折する)ことに、いつも留意
したい。
光の直進を学んで光を対象化できるようになっていると、反射・屈折の理解は
たやすい。扱うのは対象化した光である。
平面での反射に、はっきりした、わかりやすい規則性がある。一定方向からの
光は、一定方向に反射する。このことは平面鏡で実験できる。実験は対象化し
た光と、目に入る光との両方を、ともにやりたい。
反射は鏡にだけおこる現象ではない。多くのものの表面は、細かい面が不規則
に並んでいる状態にある。それで反射光はさまざまな方向へ出ていく。一つの
ものがさまざまな方向から見ることができるのは、そのせいである。
反射して見えるものの例に、月をやっておきたい。新月→上弦→満月→下弦→
新月 は天空での壮大な実験でもある。(註 弦は半分の月の意味で｢上弦の
月｣と書く必要はない。杉山滋郎｢上弦・下弦の月をめぐる誤解｣『科学史研
究』No.208 p229〜)
｢見えるものからは、光が出ている｣という認識は子どもにない。実験してわか
らせたい。暗室でスクリーンの近くに立たせ た子にプロジェクターからの光
を当てる。色つきの服は、その服の色がスクリーン上に映る。
反射させる｢もの｣については、あまり扱わないが、金属がよく反射することは
やっておきたい。鏡も主要な反射はガラスよりも蒸着・メッキしてある金属に
よるのである。
反射が、入射した光が同じ側に折れる現象であるのに対して、屈折は光が折れ
て向こう側、異なるものへ入っていく現象である。密度(光学的)の違いによ
り、屈折率は決まる。入射角と屈折角は単純な比例ではない。とは言っても、
入射角がませば屈折角はますのだから、定性的にはむずかしくはない。問題は
光の進み方が 密度大→密度小 か、その逆かによって折れ方が違うことであ
る。混乱 は、全反射は 密度大→密度小 のときにだけのおこることを、印
象深く実験をやることで避けられると思われる。
凸レンズへはプリズムの学習を経ていく。凸レンズが光を集めることや拡大し
た像が見せることなどは、対象化した光と見え方の両方でやることはこれまで
と同じである。このとき(これまでもそうであるべき)光は光束で扱う。たとえ
ば物体の像をを求める作図では、ただ2本の光線(レンズの中心を通ると光軸に
平行で通過後焦点を通る光線)の交点を像(点)だとしている。わかっていれば
たいへん便利だが、初学の子どもにとって抽象度が高い。特別は2本の光線で
やる前に、無数の光線=光束をやっておくべきである。(図1)
光束で作図をしてみると、物(点)から出た光は、どれもレンズを通過後、像(
点)に集まることがわかるから、半分に欠けた、いやそれ以上に、かけらにな
ったレンズでも像をつくることがわかる。光の量は減るので像は暗くなるだろ
う、と予想もできる(図2)。
また丸底フラスコ・空き瓶・時計皿を2枚合わせたものなどの中に水を入れて(
量を加減する)、透かして見たり、光を集めたりすることは、レンズの本質の
理解に役立つ。
音は光と同様に源から出て、直進し、ものとものの境で反射・屈折する。その
速さは、空気中ではストップウォッチで測れる程度だし、間接的にだが、見る
ことができるくらいで、そんなに速いものではない。いまや乗り物で音速を越
えるものがあるのである。
しかし、音の学習は音の進み方・伝わり方（伝播）だけでなく、音はものの振
動であることを扱う。振動は源においてはもちろん、伝えるものの中にもおこ
っている。音によって、物がどんな材料でできているかがわかる。したがっ
て、音の学習は物の学習ということにもなる。
さまざまなものが音源にできる。それで、いろいろな工夫があるが、楽器がも
っともいい。楽器は振動源の材料がすぐれ、振動が持続するための工夫があ
り、さらに振動を空気に伝えて人間の耳に届く装置がついている。
ピアノ、コントラバス、ギターなどは、子どもたちから人気のある楽器であ
る。音を出して「どこが振動しているか」「材料はなにか」を繰り返し注目さ
せよう。振動源は音を止めることではっきりする。そこをさがさせる。音が止
れば、そこが振動源である。
楽器で、さまざまに音を出したり止めたりなどする中で、「音」は振動である
こと、音の高さ・音の大きさが、それぞれなにに関係するのかを、いい音を楽
しみながら学ぶことができる。
ここで振動を直接目に見えるようにしなくていい。目に見えない振動が音なの
だ。ざっと見えるくらいでいいので、たとえばコントラバスなど弦の長いもの
は振幅が見える。振動している音叉を水面に近づけてみる。頬・鼻に当ててみ
るなどもいい。これは肌に感じるやり方である。
楽器でなくとも、固体はすべて弾性があるので、たたくと振動して音を出す。
その音で固体をある程度同定できるし、また様子を知ることもできる。打診
は、それの洗練された方法である。人間だけでなく、機械も状況がわかる。異
常音がするとき、どこかで故障がある。耳を澄まして音を聞こう。
金属などの音の伝播を確かめることは、空気だけが音を伝えると思っている子
どもたちには、必要な実験である。このとき長い金属の棒の一端をたたくこと
はしない。金属棒は音を伝える媒体としておいて、音源は別に用意する。音源
と媒体をはっきり分けることで伝播が明確になる。
音源としてオルゴールの中身(本体)を使う。聞こえたときに音源＝オルゴール
の音だと、はっきりわかる。それに音が持続もする。また、子どもたちは聞い
て楽しいので、聞きたいと思う。
参考文献
林 淳一編『物理の指導計画』「光」1962 国土社
高橋金三郎編著『科学の方法』「音と振動」1987 新生出版
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