光波24年度�@（光の性質と光速測定の歴史）

１．導入

これまで波の性質を学習し，音波を学習しました。今日からは光波です。
光とは何か，光速って？というところから学習していきます。

２．光の性質

先に結論を言いますが，

・光は波であり，横波です。

証明はこれは少し7時間くらいあとになりますが，とりあえずそういうものだと考えてください。

そして，

・光は可視光線といい，電磁波の一種です。

電磁波自体は3年生になって学習しますが･･･とりあえず，
「ほかに「なんとか線」とか「なんとか波」というのを思いつく限りあげてみましょう。」
→X線，ガンマ線，アルファ線，ベータ線，かめはめ波，マイクロ波････電磁波のものもありますし，そうでないものもあるねー

このように電波も可視光線もX線も波長がちがうだけです（速さは同じなので振動数がちがうといってもいい）。
※正確にはマイクロ波は電波の一部です。X線とガンマ線は波長で分けるものでなく， X線は原子の軌道電子の遷移によって，ガンマ線は原子核内のエネルギー準位の遷移によって 生じたものをいいます（使用例もX線とガンマ線ではかぶる）。

また，これらの使用例をかっこで書いておきました。
紫外線を浴びすぎると，皮膚がんの可能性が高くなります。 レントゲン写真は筋肉は通過して骨で反射したX線を感光するのです。 材料検査とは，金属などにガンマ線をあてて，金属内のひび割れなどをみつけます。 このように波長が短くなるほど中まで入っていけるということはわかるでしょうか？
マイクロ波は携帯電話の電波としても使われています。 電子レンジではマイクロ波がちょうど水分子の振動と共鳴するので， 水だけを温めます。ですので，空っぽの茶碗をチンしても，熱くなりません。

このように可視光線以外は人間の目には見えませんが，存在します。 それらを総称して「電磁波」といいます。

つまり，音も人間に聞こえる範囲があって20[Hz]〜20,000[Hz]でした。 それと同じように，光にも人間に見える範囲があって，380[nm]〜770[nm]です。
そして，色も波長が違うだけです。
波長の長い順から，赤→橙→黄→緑→青→紫（せき→とう→おう→りょく→せい→し）　 という順番になっています。ちなみに，「これじゃ，6色じゃないですか！7色でしょ！」と言われますが， 誰が7色なんて決めたのでしょう？実はニュートンらしい。ドレミファソラシの7音階に合わせて， 7色に決めたようです。そのときには，青と紫の間に「藍色」を入れます。

３．色について

まず，

・白色光･･･すべての色が均等に混じっている光。?単色光

ただし，人間の眼には「赤・青・緑」の3色しか認識する細胞がないので， これら3色が混じれば「白」と認識します。この3色を「光の三原色」といいます。

ちなみに，絵の具はすべての色を混ぜれば「黒」と認識しますよね。 違いは何かというと，直接の光を見ているか，反射している色を見ているかの違いです。 「絵の具の青」は，白色の光を当てると青色しか反射していないということです。 詳しくは次のプリントで理解してください。

４．光速の測定の歴史

それでは光の速さについて考えますが， そもそも速さがあるのでしょうか？だって電気をつけたらすぐに点くじゃないですか。
昔の人も同様に思っていました。かのデカルトも光の速さは無限大と考えていました。 その数年後ガリレオは光の速さが有限だとして（1638年「新科学対話」）， 遠く離れたランプで合図して測ろうとしますが， あまりに光速が速いため測定できませんでした。 しかし光に有限の速度があるって考えるのはすごいことだね。

では，どのように光の速さを測定したのでしょうか？

先に結論を書いておけば，光の速さは真空中では3.0×10⁸[m/s]です。
振動数には関係なく媒質によって変わります。太陽から地球まで8分20秒くらい，月からだとわずか2秒ほどです。 光の速さが無限大と考えるのも不思議はないですね。

1676年レーマーによる木星衛星の食による測定
レーマーはカッシーニが測定した木星の衛星であるイオの食（木星の陰に隠れて見えなくなる現象）の起こる予想時刻が， 地球の位置によって変化することに着目します。 イオの公転周期は42.5時間ですので，地球が静止していれば42.5時間おきに食に入ります。 太陽−地球−木星と並んでいるときに食の起こる時刻を観測します。 それをもとに，地球−太陽−木星と並んでいるときの食の起こる時刻を予想します。 しかし，実際に観測すると予想時刻よりも22分(1320秒)ほど遅れて食が始まります。 つまり，地球の公転の直径を光が伝播するのに22分かかるということです。
当時は公転直径は2.93×10¹¹[m]と考えられていたので，計算して，
ｃ＝2.93×10¹¹[m]／1320秒≒2.2×10⁸[m/s]　と求めました。

この値は実際の光速の値よりもだいぶ小さいですが， 現在の測定では食の時刻の遅れは16分36秒(996秒)，公転の直径は2.99×10¹¹[m]であり， この値をもとに計算すると，3.00×10⁸[m/s]となり，かなり近い値になります。
何よりこれが世界初の光速の測定となり，光の速さが有限であることの証明になったわけです。

1728年ブラッドリーによる年周光行差による測定
力学のところで，雨が鉛直下向きに降っているときに電車から雨を見ると， 斜めに降っているように見えることを説明しました。同様に，実際には真上にある星も， 地球が公転運動しているために，斜めにあるように見えます。この角度のずれを年周光行差といいます。

地球の公転の速さは3×10⁴[m/s]，光行差は20.5分(1°＝60分）とわかっていたので，計算すると，
c＝v/tanθ≒3×10⁸[m/s]と，かなり正確な値を導きました。

※ちなみにブラッドリーの光行差の発見は，地動説の観測的なはじめての証拠と言えます。

※24年度はブラッドリーは外しました。

３．フィゾーの測定の問題演習

1849年にはフィゾーがはじめて地球上で光速の実験を行います（宇宙では光の速さが違うかもしれないからね！）。 これは問題を解いて，理解していきましょう。

解答です。

５．まとめ

今日は光の性質と光速測定の歴史について学習しました。 光速測定は，物理の歴史に直結してきます。 たとえば，このあとフーコーは媒質中での光の速さが真空中より遅くなることを実験で証明します。 そのことは光の波動説の決定打となります。 また，マイケルソンとモーレーは光速が地球の自転・公転の向きによらないことを実験で証明します。 それは相対性理論の支柱となる考えに発展していきます。
とりあえずそれらは置いておいて，次回は反射や屈折を学習していきます。

授業を終えて。。。
色のところは多少興味を持ってもらったが，いまいち反応がうすい。 というよりは基本的に説明しているだけだからね。学習させていないことが原因です。
急いでもフィゾーの問題は解き終わらない。

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