〈県学生科学賞・県科学教育振興委員会賞〉

9 ぶんぶんゴマと光の関係 Part ４

1

研究の動機
自然が僕たちに与えてくれる緑色は、目に優しく気持ちを和らげ、赤色は気持ちを高め、興奮を与えると言われてる。
小学校の頃、雨上がりにでる虹を見て光の不思議さを感じ、自由研究の題材として光を取り上げてみた。その中で目で感じた光の刺激は、脳で判断され、僕たちは色として初めて判断し、感じていることが分かった。
また、光を研究していく中で、白と黒に塗ったぶんぶんゴマから色々な色が発色する現象にはとても興味が感じられ、様々な実験をしてみた。
昨年は、扇風機を使い、色の感じ方を光の特徴や人間の脳における感受性の特性から、少しでも数量的に取り扱えないかと試みた。
今年は今まで行ってきた実験をもう一度見直し、実験結果の精度を深めるとともに、昨年の考察をもとにさらに数量的な取り扱いをしてみようと思い、実験をしてみることにした。

2

研究の目的
僕は小学校４年生の時、橙・黒・緑色に縦に区切った国旗を、明るく太陽光のもとで見たあと白い紙を見ると青・白・赤色のフランス国旗が残像として見えることに不思議さを感じた。
このことは、人間は様々な色の判断をしているかのように感じるが、実際には目で刺激として受け取り、脳でその刺激を判断する。その中で、目に疲労が生じることで、補色の色を脳が強く感じてしまうということを学んだ。
今回のテーマとした白と黒の模様から、様々な色が発色することや模様が観察されることは、これからのことと関係があるのではないかと感じた。
何らかの光の刺激が確実に僕たちの脳に色や模様を判断をさせ、それを残像のように感じ取っている。それは、車の車輪が逆回転して目に映るのと同様、目の錯角かもしれないが必ずそこには理由があると考えた。
今まで光の不思議を実験・観察してきたが、中学生最後として光の性質を少しでも理解でき、刺激がどのように脳での判断をするかを自分なりにまとめてみたいと考えた。

3 研究の方法（1）コマの作成
コマの円の部分が白と黒の面積比で１：１となるように模様をつけたものを作成する。
２分の１、４分の１、８分の１、12分の１の偶数個の模様のコマと６分の１、10分の１の奇数個の模様のコマを作成（写真―１）する。
（2）２種類の扇風機を用い、それぞれのコマから発色される色と模様を観察する。
（3）ストップウォッチを用い、コマから発色する色、回転数の分かっている扇風機１を用いて１分間回転させた後、スイッチを切ることで定常的な測定をする。
（4）コマの回転数と発色する色の波長、発色する時間、観察される模様についての関係を考察する。このとき回転数の分かっているモーター（マブチモーター：130と260の２種類）を用いる。
ア 130タイプは1.5Vで8500r/min、260タイプは3.0Vで11600r/minとし、紙の羽根を付けるだけのため無負荷回転数の値として取り扱う。
イ ２種類のモーターを同時に回転させる装─ 30 ─置を作成する。また、扇風機の時と同様に模様を付けたコマを用意し、モーターに取り付ける。
ウ ２種類のモーターを同時に回転させそのときに発色する模様、時間、色について調べる。
この実験を扇風機の時と同様に2種類の蛍光灯のもとで行う。
（5）今まで作成してきたコマの模様では白と黒の面積比は常に１：１であったが、白と黒の面積が発色する色や模様に関係するのではないかと考え、面積比を変えたコマを作成する。
ア 作成したコマの種類（写真―2）
白：黒＝3：1 白：黒＝1：3（コマの模様：4分の1タイプ）
白：黒＝2：1 白：黒＝1：2（コマの模様：8分の1タイプ）
回転させ今までのコマとの違いを模様・発色する色等で比較していく。
（6）２分の１の模様は、本当に色や模様の発色がでないのか。
そこで、白と黒の面積比を変えることによってできるのではないかと考え、実験してみることとした（写真―２）。

4 結 果（1）扇風機１及び２を用いて、数種類のコマの模様を回転させた。
扇風機１及び２とも、観察される模様とモーターの回転数がほぼ同じと思われる結果がみられた。
（2）蛍光灯１では緑と黄色の発色がみられた。
また、蛍光灯２からは橙色の発色が見られた。
その様子の例を図―２として描いた。
蛍光灯１、２とも深緑色の蛍光体を採用し青紫・緑・赤の２波長タイプの蛍光灯であった。ただ、蛍光灯１はウォーム色であり少し赤っぽく感じ、蛍光灯２はナチュラル色と白っぽい感じのするものであった。

（3）目で感じる色をビデオを通して観察したとき、同様に色を感じるかを調べた。色と模様は確実に観察されたが、器械を通すことでその感じ方は実際に感じるものとは異なり、テレビで色がにじむような感じを受けるもので明瞭なものではなかった。
この実験では、できるだけ白と黒の画像を作ることで発色を確認したかったが、完全にモノトーンにすることができなかったことは残念なことであった。しかし、ビデオを通しても色・模様とも感じられたことは確実に白と黒の模様から何らかの色刺激を目が感じ取り、それを脳で判断していることが分かった。
（4）発色する色・模様と回転数を調べる。
ア 発色する色と模様を調べる
扇風機１と２種類のモーターを用い、発色する色、模様とその時間を計測した。
その結果（蛍光灯１のみ）を表―１にまとめた。
このとき、モーターでは３回の発色と模様が観察され、扇風機のときとは異なるものであった。その違いは、４分の１と６分の１の模様も観察されたこと。また、２分の１の模様を除き、コマの模様を含め２倍の模様と３倍の模様と思われるものが観察されたことであった。
イ 発色時の回転数を調べる
時間は、ストップウォッチを用い３回の計測のもと平均値を採用した。
蛍光灯１、２とも模様とその計測時間を表（表―１：蛍光灯１）に値を入れた。このとき、計測時間から回転数を計算してみ─ 31 ─

〈県学生科学賞・県科学教育振興委員会賞〉

9 ぶんぶんゴマと光の関係 Part ４
磐田市立城山中学校
３年
1

研究の動機
自然が僕たちに与えてくれる緑色は、目に優しく気持ちを和らげ、赤色は気持ちを高め、興奮を与えると言われてる。
小学校の頃、雨上がりにでる虹を見て光の不思議さを感じ、自由研究の題材として光を取り上げてみた。その中で目で感じた光の刺激は、脳で判断され、僕たちは色として初めて判断し、感じていることが分かった。
また、光を研究していく中で、白と黒に塗ったぶんぶんゴマから色々な色が発色する現象にはとても興味が感じられ、様々な実験をしてみた。
昨年は、扇風機を使い、色の感じ方を光の特徴や人間の脳における感受性の特性から、少しでも数量的に取り扱えないかと試みた。
今年は今まで行ってきた実験をもう一度見直し、実験結果の精度を深めるとともに、昨年の考察をもとにさらに数量的な取り扱いをしてみようと思い、実験をしてみることにした。

2

研究の目的
僕は小学校４年生の時、橙・黒・緑色に縦に区切った国旗を、明るく太陽光のもとで見たあと白い紙を見ると青・白・赤色のフランス国旗が残像として見えることに不思議さを感じた。
このことは、人間は様々な色の判断をしているかのように感じるが、実際には目で刺激として受け取り、脳でその刺激を判断する。その中で、目に疲労が生じることで、補色の色を脳が強く感じてしまうということを学んだ。
今回のテーマとした白と黒の模様から、様々な色が発色することや模様が観察されることは、これからのことと関係があるのではないかと感じた。
何らかの光の刺激が確実に僕たちの脳に色や模様を判断をさせ、それを残像のように感じ取っている。それは、車の車輪が逆回転して目に映るのと同様、目の錯角かもしれないが必ずそこには理由があると考えた。
今まで光の不思議を実験・観察してきたが、中露木聡

学生最後として光の性質を少しでも理解でき、刺激がどのように脳での判断をするかを自分なりにまとめてみたいと考えた。

3 研究の方法（1）コマの作成
コマの円の部分が白と黒の面積比で１：１となるように模様をつけたものを作成する。
２分の１、４分の１、８分の１、12分の１の偶数個の模様のコマと６分の１、10分の１の奇数個の模様のコマを作成（写真―１）する。
（2）２種類の扇風機を用い、それぞれのコマから発色される色と模様を観察する。
（3）ストップウォッチを用い、コマから発色する色、回転数の分かっている扇風機１を用いて１分間回転させた後、スイッチを切ることで定常的な測定をする。
（4）コマの回転数と発色する色の波長、発色する時間、観察される模様についての関係を考察する。このとき回転数の分かっているモーター（マブチモーター：130と260の２種類）を用いる。
ア 130タイプは1.5Vで8500r/min、260タイプは3.0Vで11600r/minとし、紙の羽根を付けるだけのため無負荷回転数の値として取り扱う。
イ ２種類のモーターを同時に回転させる装─ 30 ─

置を作成する。また、扇風機の時と同様に模様を付けたコマを用意し、モーターに取り付ける。
ウ ２種類のモーターを同時に回転させそのときに発色する模様、時間、色について調べる。
この実験を扇風機の時と同様に2種類の蛍光灯のもとで行う。
（5）今まで作成してきたコマの模様では白と黒の面積比は常に１：１であったが、白と黒の面積が発色する色や模様に関係するのではないかと考え、面積比を変えたコマを作成する。
ア 作成したコマの種類（写真―2）
白：黒＝3：1 白：黒＝1：3（コマの模様：4分の1タイプ）
白：黒＝2：1 白：黒＝1：2（コマの模様：8分の1タイプ）
回転させ今までのコマとの違いを模様・発色する色等で比較していく。
（6）２分の１の模様は、本当に色や模様の発色がでないのか。
そこで、白と黒の面積比を変えることによってできるのではないかと考え、実験してみることとした（写真―２）。

4 結 果（1）扇風機１及び２を用いて、数種類のコマの模様を回転させた。
扇風機１及び２とも、観察される模様とモーターの回転数がほぼ同じと思われる結果がみられた。
（2）蛍光灯１では緑と黄色の発色がみられた。
また、蛍光灯２からは橙色の発色が見られた。
その様子の例を図―２として描いた。
蛍光灯１、２とも深緑色の蛍光体を採用し青紫・緑・赤の２波長タイプの蛍光灯であった。ただ、蛍光灯１はウォーム色であり少し赤っぽく感じ、蛍光灯２はナチュラル色と白っぽい感じのするものであった。

（3）目で感じる色をビデオを通して観察したとき、同様に色を感じるかを調べた。色と模様は確実に観察されたが、器械を通すことでその感じ方は実際に感じるものとは異なり、テレビで色がにじむような感じを受けるもので明瞭なものではなかった。
この実験では、できるだけ白と黒の画像を作ることで発色を確認したかったが、完全にモノトーンにすることができなかったことは残念なことであった。しかし、ビデオを通しても色・模様とも感じられたことは確実に白と黒の模様から何らかの色刺激を目が感じ取り、それを脳で判断していることが分かった。
（4）発色する色・模様と回転数を調べる。
ア 発色する色と模様を調べる
扇風機１と２種類のモーターを用い、発色する色、模様とその時間を計測した。
その結果（蛍光灯１のみ）を表―１にまとめた。
このとき、モーターでは３回の発色と模様が観察され、扇風機のときとは異なるものであった。その違いは、４分の１と６分の１の模様も観察されたこと。また、２分の１の模様を除き、コマの模様を含め２倍の模様と３倍の模様と思われるものが観察されたことであった。
イ 発色時の回転数を調べる
時間は、ストップウォッチを用い３回の計測のもと平均値を採用した。
蛍光灯１、２とも模様とその計測時間を表（表―１：蛍光灯１）に値を入れた。このとき、計測時間から回転数を計算してみ─ 31 ─

扇風機１や２種類のモーターともある程度幅はあるものの観察される模様と回転数には一定の関係があるように感じられた。
（5）白と黒の面積比を変えたときの変化
白と黒の面積比を変えたコマと観察される模様の１つを図―３、４に表した。

い方が色・模様とも明瞭であった。
以上のことから、白と黒が相互作用で色を感じさせていることは間違いないが、黒の部分が色・模様ともに目に刺激を与える大きな要因になっていることが分かった。
（6）白と黒の面積比を変化させることで観察される模様の変化について模様として２分の１の基本形を用い、（5）―イから黒の面積を多くしたものを２種類作成（図―５）した。
面積比にして白：黒＝１：３としたものと白：黒＝１：２としたもので比べてみると、やはり黒の割合の多い１：３の方が少しではあるが明瞭な模様が確認できた。しかし、ここで驚いたことは１つに見える像が捉えられたことばかりではなく２つ、３つ、４つと変化していく模様（図―６）が発せられたことである。
このことからもコマの模様の倍数模様が目に捉えられていることは間違いないことだと考えられる。

ア 色について発色した色は蛍光灯１で緑と黄色、蛍光灯２では橙色であった。
白が光を反射し黒が吸収するという考えから、面積比を変えることで発色する色に変化が見られるのではないかという予想は外れることとなった。
イ 模様について
白と黒の面積比で明らかに黒の割合が多5 考 察実験し、結果が出るごとに なぜだろう と疑問が生じ、難しさを実感した。
そこで、得られたデータから読みとられる事実とよく分からないなりに実験結果から得られたデータを分析し、自分なりに仮説を立ててみることの２つの面から考察してみることとした。
（1）実験結果から読みとられる事実
ア 色について白と黒のコマから確実に人間は色を感じ取っていること。それは、白と黒を混ぜると灰色になるという単純なものではなく、人間の目の視細胞がコマから発せられる光の波長を刺激として感じ、脳の中でその刺激をどのように判断し、合成しているかということだと思う。僕がそれを感じたことた。扇風機、モーターともに一定の負荷がかかると考え、止まるまでの時間を直線的に回転数が変化すると仮定した。
この仮定のもと次のような式（表―２の下に明記）をたて、その回転数をそれぞれ表―２として計算した。
無負荷時の回転数は、製造元に確認した。このとき、紙のような軽いものではほぼ無負荷の状態と同じと考えてよいとのことであり、停止時間を含めた結果を表―３に表した。

─ 32 ─

は、一つにはビデオを通しても明瞭ではないが色を感じること。
二つめには白と黒の面積比を今まで１：１で行い実験してきたが、面積比を変えて行っても同じ蛍光灯のもとでは、同じ色の発色が見られるということであった。
濃い灰色と薄い灰色で同じ刺激を感じ取っているということは、蛍光灯から出てくる光の波長がコマの白黒とシンクロして色が決められ、黒い部分が多いほど明瞭に観察されることは、黒の部分が刺激に大きく関係しているということであった。
イ 模様について２分の１や４分の１とコマの分割の低いものほど高回転でないとその模様は発色しないということ。
また、発色する模様はコマに描いた模様から、倍数的に観察されるということも事実であると考える。
今までは、奇数倍の模様しか観察されないと思ってきたが、白と黒の面積比を変えることで簡単に１倍、２倍、３倍と観察されたことからである。
ただ、模様については目の模様はしっかりと観察されるが、低い回転になると目の捉えられるコマ数から残像として刺激を受けてしまい、本来は２倍、３倍と観察されているはずであるが模様の多いほど刺激として感じ、時間間隔も短いため３倍の模様がより強く目に映っているのだと考えた。
今回の実験から、模様も発する色と同様に白い部分が多いときには確認しにくく、黒の部分が多いほど明瞭に観察されることからも黒色の部分が模様決定に関わっていると考察した。
また、発色する模様と回転数には一定の関係があることも事実であると思う。
（2）実験結果から得た仮説
発色する色は必ずしも蛍光灯から強く受ける波長ではない。それは、青紫色が強く出されている蛍光灯１では緑と黄色というように、12色相環でみると補色に近い関係が強いのではないかと感じている。
このことは、国旗による補色の関係にもよく似ているように、黒の部分は光を吸収し易く、黒の面積が多いほど強く色・模様が観察されることから逆の発想をし、強い光の波長がより黒い吸収されてしまう。
そのために、目の刺激としてマイナスの刺激を考え、発色については補色仮説を自分として１つの結論としたいと思う。
回転数と模様の関係にでは、１つの計算式をたて考察してみることとした。この計算式は、人間の目が捉えることのできるコ
マ数は、一秒間に８コマを下まわると不連続な模様として捉えるという事実（インターネット：フレームより）と扇風機１の回転数で明瞭な８分の１の模様が観察されたことからコマの模様を考慮して自分なりに考えたものである。
この計算式を用いて実験データから観察された模様と回転数を算出して考察―１として表にまとめてみた。

この表と表―１、２を比較してみるとある程度の回転数と模様との関係が推定される。
そこで、発色する模様は考察―１で回転数の中で起こり、この回転数の中で蛍光灯の点滅とのシンクロで観察されると推論し、自分としての考察としたい。
光の不思議について興味を感じ、調べてみたいと考えて始めた実験であったが調べれば調べるほど不思議さが増し、疑問が深まるばかりであった。
しかし、この実験から自分なりの考察をし、その考えが正しいかどうかはまだ分からない。でも１つの考えを出せたことは、自分として満足できるものであったと思っている。
自分はまだ知識量も少なく理解も低い。しかし今後さらに自然科学を学んでいく中で、自分の考えたことが正しいかどうかを判断していくことができたらと考えている。
今後は少しでも考えを深められるよう、様々なことに興味を持っていきたいと思っている。

─ 33 ─

扇風機１や２種類のモーターともある程度幅はあるものの観察される模様と回転数には一定の関係があるように感じられた。
（5）白と黒の面積比を変えたときの変化
白と黒の面積比を変えたコマと観察される模様の１つを図―３、４に表した。

い方が色・模様とも明瞭であった。
以上のことから、白と黒が相互作用で色を感じさせていることは間違いないが、黒の部分が色・模様ともに目に刺激を与える大きな要因になっていることが分かった。
（6）白と黒の面積比を変化させることで観察される模様の変化について模様として２分の１の基本形を用い、（5）―イから黒の面積を多くしたものを２種類作成（図―５）した。
面積比にして白：黒＝１：３としたものと白：黒＝１：２としたもので比べてみると、やはり黒の割合の多い１：３の方が少しではあるが明瞭な模様が確認できた。しかし、ここで驚いたことは１つに見える像が捉えられたことばかりではなく２つ、３つ、４つと変化していく模様（図―６）が発せられたことである。
このことからもコマの模様の倍数模様が目に捉えられていることは間違いないことだと考えられる。

ア 色について発色した色は蛍光灯１で緑と黄色、蛍光灯２では橙色であった。
白が光を反射し黒が吸収するという考えから、面積比を変えることで発色する色に変化が見られるのではないかという予想は外れることとなった。
イ 模様について
白と黒の面積比で明らかに黒の割合が多5 考 察
実験し、結果が出るごとに なぜだろう と疑問が生じ、難しさを実感した。
そこで、得られたデータから読みとられる事実とよく分からないなりに実験結果から得られたデータを分析し、自分なりに仮説を立ててみることの２つの面から考察してみることとした。
（1）実験結果から読みとられる事実
ア 色について白と黒のコマから確実に人間は色を感じ取っていること。それは、白と黒を混ぜると灰色になるという単純なものではなく、人間の目の視細胞がコマから発せられる光の波長を刺激として感じ、脳の中でその刺激をどのように判断し、合成しているかということだと思う。僕がそれを感じたことた。扇風機、モーターともに一定の負荷がかかると考え、止まるまでの時間を直線的に回転数が変化すると仮定した。
この仮定のもと次のような式（表―２の下に明記）をたて、その回転数をそれぞれ表―２として計算した。
無負荷時の回転数は、製造元に確認した。このとき、紙のような軽いものではほぼ無負荷の状態と同じと考えてよいとのことであり、停止時間を含めた結果を表―３に表した。

─ 32 ─

は、一つにはビデオを通しても明瞭ではないが色を感じること。
二つめには白と黒の面積比を今まで１：１で行い実験してきたが、面積比を変えて行っても同じ蛍光灯のもとでは、同じ色の発色が見られるということであった。
濃い灰色と薄い灰色で同じ刺激を感じ取っているということは、蛍光灯から出てくる光の波長がコマの白黒とシンクロして色が決められ、黒い部分が多いほど明瞭に観察されることは、黒の部分が刺激に大きく関係しているということであった。
イ 模様について２分の１や４分の１とコマの分割の低いものほど高回転でないとその模様は発色しないということ。
また、発色する模様はコマに描いた模様から、倍数的に観察されるということも事実であると考える。
今までは、奇数倍の模様しか観察されないと思ってきたが、白と黒の面積比を変えることで簡単に１倍、２倍、３倍と観察されたことからである。
ただ、模様については目の模様はしっかりと観察されるが、低い回転になると目の捉えられるコマ数から残像として刺激を受けてしまい、本来は２倍、３倍と観察されているはずであるが模様の多いほど刺激として感じ、時間間隔も短いため３倍の模様がより強く目に映っているのだと考えた。
今回の実験から、模様も発する色と同様に白い部分が多いときには確認しにくく、黒の部分が多いほど明瞭に観察されることからも黒色の部分が模様決定に関わっていると考察した。
また、発色する模様と回転数には一定の関係があることも事実であると思う。
（2）実験結果から得た仮説
発色する色は必ずしも蛍光灯から強く受ける波長ではない。それは、青紫色が強く出されている蛍光灯１では緑と黄色というように、12色相環でみると補色に近い関係が強いのではないかと感じている。
このことは、国旗による補色の関係にもよく似ているように、黒の部分は光を吸収し易く、黒の面積が多いほど強く色・模様が観察されることから逆の発想をし、強い光の波長がより黒い吸収されてしまう。
そのために、目の刺激としてマイナスの刺激を考え、発色については補色仮説を自分として１つの結論としたいと思う。
回転数と模様の関係にでは、１つの計算式をたて考察してみることとした。この計算式は、人間の目が捉えることのできるコマ数は、一秒間に８コマを下まわると不連続な模様として捉えるという事実（インターネット：フレームより）と扇風機１の回転数で明瞭な８分の１の模様が観察されたことからコマの模様を考慮して自分なりに考えたものである。
この計算式を用いて実験データから観察された模様と回転数を算出して考察―１として表にまとめてみた。

この表と表―１、２を比較してみるとある程度の回転数と模様との関係が推定される。
そこで、発色する模様は考察―１で回転数の中で起こり、この回転数の中で蛍光灯の点滅とのシンクロで観察されると推論し、自分としての考察としたい。
光の不思議について興味を感じ、調べてみたいと考えて始めた実験であったが調べれば調べるほど不思議さが増し、疑問が深まるばかりであった。
しかし、この実験から自分なりの考察をし、その考えが正しいかどうかはまだ分からない。でも１つの考えを出せたことは、自分として満足できるものであったと思っている。
自分はまだ知識量も少なく理解も低い。しかし今後さらに自然科学を学んでいく中で、自分の考えたことが正しいかどうかを判断していくことができたらと考えている。
今後は少しでも考えを深められるよう、様々なことに興味を持っていきたいと思っている。

─ 33 ─