物理現象について

大学で日常生活における物理現象をテーマにしたレポートを書くという課題が出ました。
青空、夕焼け、虹、雲を絡めて書くにはどうしたらよいでしょうか。
物理は大学から始めた超初心者です。
ご回答いただけるとうれしいです。
よろしくお願いします。

No.4 回答者： cozycube1 回答日時： 2012/05/27 08:17

　ちょっと回析だけ不充分な気がしまして、補足をば。

　この前の金環日食のとき、木漏れ日に多数の金環日食・部分日食が映る現象が紹介されていたことをご覧になったかと思います。

　それが回析です。もう今はやらないかもしれませんが、針孔レンズなんてものがあります。凸レンズと同じような現象が、小さい針孔で起きるんですね。

　波が小さい隙間に押し寄せて、隙間を潜り抜けた波は、元の波を受け継いで、隙間から広がる波になります。それが回析です。

　そして、今回は不要かもしれませんが、干渉ということが起こります。波と波がぶつかると、条件次第で強めたり弱めたりします。

　干渉は、実は波と波の単純な足し算です。

　海の波が岸壁にぶつかるとき、2倍の高さになります。これは、押し寄せる波と跳ね返される（反射する）波が足し算になるので、最大で2倍になるのです。

　逆に、プラス１の波とマイナス１の波がぶつかると、波は消えます。

　音も空気の波なので、スピーカーを向い合せて、そういう条件を作ると、二つスピーカーの真ん中では音が聞こえなくなります。体験すると、結構面白いですよ。

No.3 回答者： cozycube1 回答日時： 2012/05/27 07:57

　青空、夕焼け、虹、雲ということに共通するのは「目に見える」ということですね。

すごく当たり前なだけに見過ごしがちです。

　見えるというのは、目に光が入って来るから。これも当たり前過ぎて意識しません。

　じゃあ、見える光は何かと言うと、たとえば外なら太陽の光が物に当たって反射する光が見えるから。

　じゃあ、光って何かと言えば、「波」なんですね。詳しく調べると「光子」という粒子のようなこともあるんですけど、それは波であること以上のことを考えるときだけ必要なので、とりあえず無視していいです。

　空を含めて地表には空気があります。空気は細かい分子がたくさんある状態ですね。
　雲は空気の分子よりずっと大きな粒の塊であることは、質問者様もご存じでしょう。

　波線を描いてみます。空なら空気の分子が散らばっていて、そこを波線が通って来る感じになります。

　波線が密なほど、ぶつかる空気の分子が増えます。波線が密と言うのは「波長」が短いということで、こういう波長の短い光は青色です。反対が波長の長い赤い光なんですね。

　青い光は細かい空気分子の粒に何度もぶつかりながら地上に届きます。いわば「地表と比べれば空には青い光が溜まっている」状態です。つまり、青色に染まっている。それを見上げるから青空なんですね。

　夕日は赤いことがよくあります。斜めに入って来る光は、真昼よりずっと長い空気中を通ってきます。そこを通り抜けやすいのは波長が長い赤い光で、青色に染まった空気の公海上に、赤い光だけが届きやすくなります。だから夕焼けは赤くなります。

　雲はどうでしょうか。雲を作る粒々は、青い光はもちろん赤い光の波長よりも大きいのです。波が通り抜けるどころか、波より大きな粒が立ちふさがってしまいます。光はほぼ全部跳ね返されます。そういう粒々が密に固まったのが雲です。これは物が見える状況と同じです。

　虹に似たものに三角プリズムというものがあります。断面が正三角形のガラスですね。これに光を通すと虹と同じように色の無い光が屈折して、色別に分類されたかのように虹のような光が出てきます。

　色とは光の波長なのでした。光の波長によって屈折の仕方が違うんですね。板ガラスだったら厚みが違わないのでプリズムのようなことは起こりません。厚みが違うからこそ、三角プリズムで虹のような色が見られます。

　ガラスのレンズ、それを使った双眼鏡等でこれが無いのは、そうならないよう工夫してあるからです。屈折で色別になってしまうのを「色収差」なんて呼びます。そうなると波長ごとでレンズの焦点が合わなくなります。レンズはそうならないような工夫があるわけです。

　スプリンクラーのように水を細かい水滴にして撒いたとき、虹と同じような現象が起こることがあります。細かい水滴が密集していると、三角プリズムのような、「色収差」の対策をしていないようなレンズのような状態になることがあります。これが空にあれば虹を見ることもあるわけです。

　こういう波の性質を、屈折、反射、回析と呼びます。光、この三つのキーワードから始めて、ご質問にあるキーワード、もしよろしければ、この拙い回答に書いたような言葉も使って、ネット検索してみてください。相当な情報が出てきます。

　そうしてみて、ちょっとした疑問なら補足でお知らせくだされば、お手伝いできることもあるでしょうし、新たにご質問をなされてもいいでしょうね。

　そうしてみて、レポートを書くには、よく分からないことを書かないほうがいいです。「こうかなと思った」と「ここにこう書いてあることっぽい」とをつなげたような、入口と出口を途中経過無視で書くと、質問されても答えられません。「中学生の自由研究か？」と言われそうな不安を持つくらいがいいです。

　分からないことを排する、言葉を変えれば、分かることは分かる、分からなことは分からない、ってのが物理学ですから。

No.2 回答者： spring135 回答日時： 2012/05/27 02:49

青空、夕焼け、虹、雲を絡めて書くにはどうしたらよいでしょうか

この発想はどこからきているのですか。

一見すると光の散乱を意識しているように見えますが

「雲」をどう取り扱いたいのですか。

理科系の学科ですか、文科系の学科ですか。

No.1 回答者： payapapaya 回答日時： 2012/05/27 01:17

虹は光の屈折によるのでプリズムと同様の分光による現象ですが、青空、夕焼け、白い雲は散乱（ミー散乱・レイリー散乱）によるものです。

ついでに言うと雲が白い理由と牛乳が白い理由は同じ部分も多いです。
厳密に語りだすと虹も単純な分光だけで説明するのは無理ですし、その他の自然現象も複合的な要因の結果なのですが、主要因を取り出すことにしましょう。

物理の超初心者ということですので、数式で散乱について組み立てるようなレポートは求められていないと思います。
散乱に関して光の波長と粒子の大きさの関係によって、どのような散乱のタイプが有るかを並べてみれば取り敢えずOKだと思います。
（私なら虹は外します。その代わり、波長の話が出てくるので、携帯電話やWifiやPHSなどの障害物に対する強さあたりを少しまぶすかもしれません＜これも本当は導波、反射の影響が強いのですが取り敢えず気にせず＞）

まずは、上の文章で、分からない単語を調べてみてください。
空の色については、太陽の角度によるフィルターの厚みと質（大気の構成）の違いに前提として言及する必要が出てきます。

健闘を祈る。