202１年度日本郵便年賀寄付金配分事業「中間山地における自然環境を生かした青少年のための科学教育推進プロジェクト」
後援：日刊県民福井・中日新聞、公益財団法人
歴史の＜実験教室：水滴レンズ顕微鏡＞
開催場所：安芸高田市内の小学校
開催期日： 未定

主催：NPO ふくい科学学園

水滴レンズ顕微鏡の像をタブレットで撮影する様子（左上）、
紫玉ねぎの細胞（右上）、花のめしべ （左下）
、小さなアリ（右下）（実験指導者用 テキスト）
なまえ

名前

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＜水滴レンズ顕微鏡＞
１．レンズ
・レンズは私たちの生活に欠かせないものです。あらゆるところにレンズが使われています。
光に関係した道具や機械はたくさんありますが、そのほとんどがレンズを用いています。
・そもそも私たちの目（眼球）はレンズであり、そのおかげで物が像として見えます。近視の人は凹（おう）レンズをかけ、老眼の人は凸（とつ）レンズをかけて、目のレンズを補正して、物がはっきり見えるようにしています。
・下の写真は、身近に見られるレンズを集めたものです。凸レンズは球の一部を切った形をしています。じっさい凸レンズにさわると球の表面のようにふくらんでいます。片方の面だけふくらんだものと、両方の面がふくらんだ凸レンズがありますが、レンズとしての働きは同じです。 一方凹レンズは中央部がくぼんでいます。
・凸レンズには、片方がふくらみ、反対側はへこんでいるものがあります。下の図でレンズの断面を示しておきます。

いろいろな凸レンズ

いろいろな凸レンズの断面図2

いろいろな
凹レンズ

いろいろな凹レンズの断面図

・普通、メガネのレンズの形は円形にはなっていません。円形のレンズから切り出してメガネのレンズを作ります。円形レンズの一部を切り出しても、レンズとしての性質は変わることはありません。メガネのわくのデザインに合わせて、レンメガネのレンズとしての中心ズを切りだしています。

（普通メガネの真ん中は、レンズとしての中心とは一致していません）

２．水がレンズになる
透明プラスチックの半球を使った実験
・半球プラスチックの容器に水を入れると水レンズができます。
これを使って虫メガネと同じように文字が大きく見えることを確かめます。水の入った半球を三脚に固定して観察します。
・プラスチックの半球の直径が２１ｃｍ、１０ｃｍと変えて、文字の拡大率を調べましょう。半球の直径が小さくなるほど、レン水がレンズになるズとしての拡大率が大きくなるのがわかります。
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底が丸くへこんだプラコップで実験
・通常のプラスチックコップ（プラコップ）の底は平面に近い形をしていますが、中に底が丸くへこんでいるものがあります（Korean Airline の機内サービスに使用）。

水を少し入れる

プラコップの底が丸くなっ丸くなっているところにている

水を入れると凸レンズの形になる

・プラコップをさかさまにして、丸くくぼんだところに、スポイドで水を少し入れます。水は凸レンズのような形となります。このようにふくらむのは、水の表面張力のためです。
・プラコップの下に切手などを置いて、それをプラコップの上側からのぞきます。
・プラコップの底のまん中は、イボのように膨らんでおり、凸レンズとしての働きをじゃまします。そこで、少し目を横にずらして、プラコップの下の切手をながめて下さい。
・次に、底がほぼ平たくなっているガラスビーカー（またはガラスシャーレ）に水を入れて、その水を通して、下に置いた切手を見て下さい。この場合は、レンンズ作用はないので、切手はそのままの形で見えます。

ビーカーに入れた水を通し底が丸いプラコップに水を入れ、て下の切手を観察する

水を通して下の切手を観察する
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・今度は、上で使ったプラコップの内側に水を入れて、上から切手をながめてみましょう。
この場合は丸くへこんだ水を通して、切手から出た光が目に入ります。このような時は水は“凹（おう）レンズ”として働きます。実際、切手が少し小さく見えます。

３．水滴レンズ・ふくらみの大きい水レンズを作るために、スライドガラスの上に丸い輪（ねじのリング）を貼り付け、それに水滴を入れます。水滴は表面張力によって丸くなります。
水滴の形
・リングに水を入れる前に、水滴を一滴プラスチック表面の上やガラス板の上、さらに金属（アルミ円板）の上などにのせて水滴の形に注目しましょう。
・ガラスの上にのせた場合は、水分子とガラスがなじむので、水滴の形が崩ます。金属の場合は、水分子と金属が反発するので、水は丸くなっています。

プラスチ
ック板とガラス板に水滴を金 属 板に 水 滴を の せる

のせる・プラスチック板やガラス板に丸い金属のリングをはり、それに水を入れると形の良い水滴レンズができます。
・小さいリングを使う方が、水のふくらみが大きく、凸レンズとしての焦点距離は短くなります。
したがって倍率は高くなります。
（焦点距離は、太陽光のような平行光をレンズに垂直に入れたとき、光が集まる点とレンズとの距離です。水滴レンズは傾けられないので、懐中電灯と凸レンズを組み合わせて平行光線を作り、それを使って焦点距離を調べることができます。
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リングの直径が小さい水滴レンズは焦点距離が短い

リングの直径が大きい水滴レンズ

・同じリングでも、レングの中に入れる水滴の量によってレンズとしてのふくらみが変わり、焦点距離も変わります。（直径 5.5ｍｍのリングでは、10－25 倍程度の倍率の顕微鏡にすることができます）

レンズとしての倍率 ＝２５ｃｍ

÷ レンズの焦点距離・内径が３～２ｍｍの小さいリングを用いると、倍率が４０～５０倍の水滴レンズ顕微鏡を作る事が出来ます。
・市販の実体顕微鏡は 20 倍と 40 倍の切り替えとなっています。倍率についてのみ言うと、水滴レンズ顕微鏡は市販の顕微鏡と同程度の性能が出ます。
水滴レンズを作り、手で持って切手の印刷ドットを観察

内径 5.5mm のリングに水を入れる

目を水滴に近づけながらスライドガラスを上下に動かしてピントを合す

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４．水滴レンズ顕微鏡の組み立て
準備物：
・木の底板（15ｘ60ｘ110mm,）・木片 A（15x30x90mm） ・木片 B（15x15x60mm）
・木片 C(9x9x80mm ＋9x9x100mm）
・木片 D(15x30x45mm を２個） ・L 金具((ネジ釘) ・薄い金属板（30x80x 0.1mm 磁石にくっつくもの（Hikari ユニホビーMS123T）
・ボタン型マグネット板（直径 13mm） ・黒プラスチックの下敷き(20x60x0.8mm, ２枚) ・アパーチャー（黒のプラスチック板の中央に穴をあけたもの；26 x 30mm）
・スライドガラス２枚( 26 x 75mm,26 x 60mm) ・すりガラス板 (26x 56mm x 2mm ・ ネジのリング（穴の内径5,5mm 、外径 16mm）
・円形プラスチック容器（38mm 径） ・スポイド ・ピンセット（プラスチック）
・ポイントライト LED・ティシュ（綿棒）・青色工作画用紙(26 x 40mm) ・両面テープ ・粘着テープ付マグネット板

・接着剤（木工ボンド、高速アラルダイト）
・つまようじ ・ねじまわし

顕微鏡本体を構成する材料（写真上の左）、マグネット板、薄い金属板、しぼりなど（写真上の右）、リングを貼ったスライドガラス、観察試料など（写真左）あとで一部修正＜顕微鏡本体部の製作＞
・顕微鏡の本体部は安価にするために木の材料を用いています。
① 木工ボンドで底板と垂直板を接着

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・底板となる木と、垂直板を補強する木には、すでに鉛筆で線を入れてあります。
木工ボンドを塗って接着して下さい。接着剤が固まるまでには、約３０分かかります。

木片と底板を固定

底板に木工ボンドをぬる② L 金具の取り付け
１５ｘ３０ｘ９０ｍｍの木は顕微鏡の本体の柱となる“垂直板”です。L 金具をネジ釘で固定します

垂直板に L 金具を固定する③ 薄い金属板と黒のプラスチック板を貼る
・薄い金属板(30 x 80 x 0.1mm)にはってある白い紙をはがすと、のりがついています。右の写真のように木からはみ出さないように注意して、貼って下さい。この薄い金属板はマグネットを固定するためです。 垂直板に薄い金属板を貼る
・試料をのせた台がまっすぐ垂直に上下できるように、ガイドとなる黒のプラスチック板を上の垂直板にとりつけます。黒のプラスチック板は両面テープで貼り付けます。
両面テープの幅は木の６ｃｍ

厚みと同じ１５ｍｍ幅

テープがはみ出たら切ります8黒のプラスチック板を側面に貼

垂直板に薄い金属板と黒プラスチック板るを貼ったところ⑤ 底板に垂直板を木工ボンドで固定する①でぬったボンドが固くなっていることを確認した後に行って下さい

垂直に立てる・木工ボンドがかたまるまで、約３０分かかります。
もし、垂直板が動くようでしたら、固まるまで、支えを置いてください。

＜試料台の製作（今回はこの部分のみ児童に作業させます＞①

木片 D にマグネット板をはる・反射型照明用と透過型照明用の２個を作ります

マグネット板は木の外側にはみ出さないように注意してください！

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② スライドガラスに青色画用紙をはり、それを木片Ｄに取り付け両面テープで木片の端にはる

青色工作画用紙（26 x 40mm）を両面テープではります③すりガラスを木片に両面テープではる（透過型照明に使用）

透過型照明用試料台＜水滴レンンズの製作＞① アパーチャー（しぼり）をスライドガラスに 取りつける・カメラのレンズでも“しぼり”がついています。しぼりを入れることで、観察する像の鮮明度は向上します。
・黒プラスチック板の中央にドリルで直径３ｍｍの穴をあけます。穴の開いた黒プラスチッ
ク板を両面テープでスライドガラスに取り付けます。穴の位置がスライドガラスの端から約１８ｍｍに来るようにしてください。

18mm10

② スライドガラスにリングおよびマグネットを貼る・内径が 5.5mm 外径 16mm のリングを接着剤（アラルダイト）でスライドガラスに固定します。このときリングの中心と上のしぼりの穴の中心が一致するように慎重に行って下さい。

リングを接着剤で固定した
あと、マグネット（左側のボタン状の物）も固定します。

・水滴レンズは必要に応じて、顕微鏡本体から取り外しできるようにしなければなりません。
ここでは、マグネットを利用してそれを実現しました。
スライドガラスが L 金具にくっつくことを確認し、さらに試料台の上下移動も確認します
綿棒の先にアルコールをつけリングの内部の汚れを拭きとってください！

④ 水滴をリングに入れる・スポイドを用いてリングの中に水を入れ、ふくらみのある凸レンズを作ります。
水滴がリングからはみ出ないように、注意します。リン
グからはみ出ると観察する像は歪ます。はみ出たらティッシュで拭いて最初からやり直し
・まず、スポイドの先端をリングの中心に少し触れ、リングの中に水滴を少し入れます。その水滴にさらにスポイドの先端を触れ、水滴を大きくしていきます。

水滴を入れたあと、スライドガラスを上下 180 度ひっくり返して、水滴を下にぶら下げる方式にすれば、水滴が目に当たる心配がありません。
11５．水滴レンズ顕微鏡で観察① 試料台に円形プラスチックのふたを乗せその上に観察する試料をのせます。まず、切手のカラー印刷の点（ドット）を観察してみます。 倍率を下げたいときは、水滴に綿棒の先端、またはティッシュの先端を触れ、水を吸い取ります② LED で観察するものを照らします。
ポイントライト

目をうんと水滴レンズに近づける

水レンズの真下に観察する部分を置きます。その部分が明るくなるようにLED で照らします。

指で試料台をつまみ上下させる②

目を水滴レンズに近づけ、指で試料台を上下させてピントを合わします。目の眼球を少し横にずらしても像は見えるので、観察できる視野はかなり広いです。

印刷のドットを見ながら試料台を上下してピントを合す

観察する試料をプラスチックシャーレの蓋の上にのせる

水滴レンズ顕微鏡で観察される像

食塩の結晶を観察

小さなアリを観察
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・水滴レンズの真上にスマホや、タブレットを近づけ、顕微鏡写真を撮ることができます。
・水滴レンズの真上、約１ｃｍの場所に、スマホや、タブレットのレンズが来るように配置すれば、きれいな顕微鏡写真が撮影できます。

水滴レンズとスマホレンズの距離が離れ過ぎると像が小さくなります

・スマホや、タブレットは大きなコの字型をしたプラスチックの台（100 円ショップで購入：上の水平部 120mmx220mm、高さ 120mm）の上に乗せます。
・スマホやタブレットのカメラ機能を ON にすると、ディスプレイ上にカメラがとらえた像が現れます。その像の丸い領域（〇）がディスプレイのまん中に来るようにスマホやタブレットの位置の微調整をします。実際はその〇の領域は小さいので、スマホの拡大機能（指でスクロール）を使って像を大きくしていきます。通常、ピンとは自動的に行われます。

水滴レンズ顕微鏡のレンズの近くに花の中のめしべ、おしべを撮影

スマホを置き顕微鏡写真を撮影

・スマホに代わってタブレットを使うと一層鮮明な顕微鏡写真が撮れます。
下の右の写真は、試料として植物プレパラート（ムクゲの茎の断面）を用いました。
市販の実体顕微鏡を使用した場合と殆ど変わらないきれいな写真が撮れました。

タブレット(NEC : PC-TAB08F01 )を水滴レンズの上に固定

植物プレパラートの顕微鏡写真
13タンポポの綿毛には細かいトゲがあります。これを観察するには40 倍近くの倍率が必要ですが、今回の水滴レンズ顕微鏡でも、タブレットを使って鮮明にとらえることが出来ました。
この方法で、水中微生物（ゾウリムシ、ミジンコなど）が観察できます、動画としても撮れます。

６．透過型照明で玉ねぎの細胞を観察

・顕微鏡観察する場合、試料によっては（細胞など）、試料の斜め上から光をあてるのではな
く、試料の下側から明るく照らす必要があります。この照明法を透過型照明と言います。
・透過型照明を実現するために、LED スポットライトでスリガラスの下方から照らし、そのスリガラスの上方向に試料を置きます。

透過型照明で紫玉ねぎの細胞を観察

紫玉ねぎの細胞

玉ねぎの表面の薄い膜をピンセッ

普通の玉ねぎの細胞

トではぎとる（湾曲した内側の薄い膜を使う）

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７．Web カメラでパソコン画面に映し出す・Web カメラは安価でかつ性能の良いカメラです。Web カメラでとらえた信号はパソコン画面に映し出すことが出来、パソコンをプロジェクターに接続すれば大きなスクリーンの上に顕微鏡像を投影できます。
・水滴レンズ顕微鏡の像を Web カメラでとらえ大型スクリーンに映し出しましょう。この方法によればクラスの全員が同時に顕微鏡像を観賞できます。
・Web カメラをクリップスタンドにビニールテープで縛り付け、スタンドのクリップを机の端にかまして固定さすことが出来ます。その下に水滴レンズ顕微鏡をもってきます。

パソコン画面に現れた切手のドット
・Web カメラを取り付けたスタンドはクリッ
プで机の端に固定
・Web カメラ

８．屋外で植物や虫を観察しましょう
プラスチックケースに入れた水滴レンズ顕微鏡を屋外に持ち出し、公園のベンチなどで、植物や虫を観察しましょう。２０倍から３０倍で観察できる准ミクロの素晴らしい世界が広がっています。
本当は実体顕微鏡が適していますが、１台３万円近くします。また、児童用に販売されている２０００円程度の簡易顕微鏡は、最低倍率が５．透過型照明で透明物体を観察１００倍であり、倍率が高すぎます！
今回、この顕微鏡セットはお持ち帰りです

この水滴レンズ顕微鏡は“1 人 1 台”の顕微鏡観察を実現しています
観察中の一つ一つの作業が児童にとって大変教育的です！
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９．参考資料
このテキストで述べた水滴レンズ顕微鏡の基本的アイディアは 2001 年に、Physics
Education Vol.36, No.2 で発表しています（著者：H.H. Myint, A.M. Marpaung, H.
Kurniawan, H. Hattori and K. Kagawa ）。この研究は、当時、福井大学教育地域科学部に教員研修生として 1 年間留学していたミャンマー国の中学校理科教員のミンさん（女性）の主要テーマとして行ったものです。ミンさんからミャンマーでは（当時）高等学校でさえ顕微鏡が整備されていないと聞きました。論文を英国の学会誌 Physics
Education に投稿した折、開発途上国の理科教育のために安価に自作できる水滴レンズ顕微鏡は大変有効であると強調しましたが、Editor はこのような教材は先進国でも非常に大事であると評価してくれ、雑誌の表紙に我々が撮影した顕微鏡写真を載せてくれました（右下の写真）。

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