ホログラフィおよび光速度測定を教材とした実験・計算機実験による波動の教育

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06680172
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 桝谷 敬一 山梨大学, 教育学部, 助教授 (30173743)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 守谷 まゆみ 山梨大学, 教育学部, 教務員 (30242621) ; 橋本 勝巳 山梨大学, 教育学部, 教務員 (80242626)
• Keywords: 物理教育 / ホログラフィ / 光速度 / 基礎的物理学実験 / 波動現象

Research Abstract

我々は、深刻な状況にある高校や大学における学生の「物理離れ」を打開する方策として、魅力ある物理教材の開発・研究を行い、物理学実験の授業に取り入れることをめざしている。本研究では、振動・波動現象での伝播・回折・干渉等の基本概念を容易に修得できる教材として、光速度測定ホログラフィを取り上げた。
光速度は最も重要な物理定数の一つであり、これらを学生自らが測定することには非常に大きな意味がある。我々は、光源としてパルス光を発振する小型の窒素レーザーと、測定装置としてノギスの原理を用いた時間差測定装置を自作し、数年前に光速度測定を学生実験に導入した。この実験は、実験机上の狭い範囲内で実施でき、空気中だけでなく水中の光速度も測定できる。本研究では、製作・保守がさらに容易な光源や測定装置の改良・開発を行った。光源としては赤色の半導体レーザー光を利用した。これによって、窒素レーザー(紫外線)ではできなかった肉眼での観察が可能になり、また水中での波長による光速度の違いも調べられるようになった。時間差測定装置にも改良を加えたので、光速度の測定誤差を5%程度におさえられるようになった。なお、操作性を高めるために、測定信号はパソコンに直接入力し、データ処理が行えるようにした。
ホログラフィは情報を光の干渉縞として記録する方法で、一般には立体写真として知られている。レーザーや特別な光学装置を使って物体を写真撮影するという通常の方法に対し、我々は数年前からパソコンを使ったコンピューター・ホログラムの教材化に取り組んできた。本研究では、初等的な波の干渉・回折の知識から、段階的にホログラム作成へと進める学習メニューを作り上げた。また、計算ホログラムに直接対応する、写真撮影によるホログラム作成実験を、特別な光学装置を使わない簡単なインライン法で行えるようにした。