📷 カメラの中の景色はさかさま?虫めがねと白い紙で分かる光のひみつ
虫めがね1つから、「なんで?」「なにでできてる?」「なにになる?」の3段で、スマホ・車・病院・望遠鏡のカメラまで深める「つながるタネ」です。どの話にも、子どもが詰まったときのヒントと3択があります。途中で終わっても、その話だけで1つの会話になります。5〜6歳なら、入口 → 1話目 → 4話目の順がおすすめです(5話目の指の遊びも、その場でできます)。
🗺️ このタネの地図
入口(身の回り)
- 虫めがね・窓の外の景色
- 木もれ日
- 部分日食
- 病院(胃カメラ)
- 車
- 星空
- 自分の目
1段目・なんで?(性質)
- 光 — まっすぐ進むので、小さな穴を通るとさかさまに映る
- 木もれ日 — 葉のすき間が、太陽の形を映す
2段目・なにでできてる?(素材)
- 光を電気に変える小さなマス(イメージセンサー)
- 赤・緑・青のフィルター
3段目・なにになる?(行き先)
- 📱 スマホ
- 🚗 車(安全運転を助けるカメラ)
- 🏥 内視鏡(胃カメラ)
- 🔭 すばる望遠鏡
📎 寄り道(コラム)— 段には入れず、横に置いた話
- 「カメラ」は、ラテン語で「部屋」
- 光を電気に変えるセンサー CCD(1969年に発明・2009年ノーベル賞)
- おなかの中を写したい(胃カメラ・1950)
- 目の奥にも、さかさまの景色
- いまも残る、とても古い写真(1820年代)
話は「光はまっすぐ進む」と「小さなすき間は、景色や太陽の形を映す」に集まり(1段目)、光を電気に変えるマスと色のフィルター(2段目)をとおって、スマホや車、病院、望遠鏡のカメラに広がります(3段目)。ノーベル賞などの話は、寄り道として横に置いています。
入口「虫めがね」から話す
① といかけ
「虫めがねで、窓の外の景色を白い紙に映してみるよ。景色は、そのまま映ると思う? さかさまに映ると思う?」
💭 答えに詰まったら
「窓の外で、いちばん上にあるのは空、いちばん下にあるのは地面だね。紙に映ったら、空は紙の上と下、どっちに来ると思う?」
それでも出てこないときは、3択にしてみましょう。
- そのまま映る
- さかさまに映る
- 何も映らない
当たっても外れても、「なんでそう思ったの?」と理由を聞いてから②へ進むと会話が続きます。
② かんさつ
昼間に、太陽が見えない明るい窓を選ぶ。部屋の明かりを消し、窓から少しはなれて、白い紙を窓に向けて持つ。窓と紙の間で、虫めがねを紙に近づけたりはなしたりすると、外の景色がくっきり映る所がある。虫めがねで太陽を見ない。使い終わったら、日の当たらない所にしまう(日なたに置くと、光が集まって火事になるおそれがある)。
③ たねあかし
空は、紙の上と下、どっちに映ってた? 下のほうだったね。地面は上のほう。景色は、さかさまに映るんだ。虫めがねのレンズが、窓の外から来た光を集めて、紙の上に景色を作っているんだよ。カメラの中でも、同じことが起きている。レンズの奥で、景色がさかさまに映っているんだ。
✅ ここで終わってもOK(今日のひとこと)虫めがねで紙に映した景色は、上と下がさかさま。カメラの中でも、景色はさかさまに映っている。
🌀 もう一歩
「こんどは、懐中電灯の光を、厚紙の小さな穴に通してみよう。懐中電灯を上に動かすと、穴の向こうの光は、上と下、どっちに動くと思う?」
ここで終わらせず、もう一往復すると会話になります。
💬 こう聞かれたら
「右と左も、入れかわってるの?」→「前から見ると、右と左はそのままに見えるね。トレーシングペーパーのような、すける紙に映して、うしろから見てごらん。右と左も入れかわっているよ」 「スマホのカメラの中も、さかさま?」→「スマホのカメラも、レンズで景色を、中のセンサー(光を受けとめる板)に映しているよ。レンズが映す景色は、さかさま。見せるときに、正しい向きにしてあるんだ」 「虫めがねを動かすと、ぼやけたりくっきりしたりするのは、なんで?」→「くっきり映る所(ピント)は、レンズと、映す物までの遠さで決まるから。紙がそこに来たときだけ、くっきりするんだ。カメラも、中のレンズを前後に動かして、ピントを合わせているよ」 「目の中も、さかさま?」→「目の奥にも、上下左右が逆の景色が映っている。それでも、さかさまには見えないよね。ものを見ることは、目と脳が一緒にしている仕事なんだ」
⚠️ 安全メモ
虫めがね・カメラ・双眼鏡で太陽を見ない(目をいためる)。日食の日も、太陽を直接見ない(サングラスや色つきの下じきでもだめ。数秒でも目をいためる)。小さな穴から太陽をのぞかない。太陽が見える窓や日なたでは、虫めがねで紙に映さない。虫めがねや水を入れた丸い入れ物を、日の当たる所に置かない(光が集まって、火事になるおそれがある)。日光を集めて、人の体や服に当てない。ひびのある虫めがねは使わない。部屋を暗くするときは、足元を片づけてから。懐中電灯の光を人の目に向けない。人の写真は、とっていいか聞いてからとる。写真をインターネットにのせるかは、家の人と決める。
🚪 ほかの入口から話す
その日の場面に合うものを1つ選んで、といかけから始めます。◯が正解ですが、外れても止めずに「おしい、じゃあ確かめてみよう」と続けます。
公園・木の下→ 木もれ日(1段目)
「木の下の地面に、丸い光がたくさん落ちているよ。あの丸は、何の形だと思う?」
- 葉っぱのすき間の形
- 太陽の形
- 雲の形
葉の小さなすき間が、太陽の形を地面に映している。太陽は直接見ない。
部分日食の日→ 木もれ日(1段目)
「太陽が少し欠ける日食の日。木もれ日は、どんな形になると思う?」
- いつもの丸
- 欠けた形
- 消えてなくなる
木もれ日が、欠けた太陽の形になる(国立天文台)。太陽は直接見ない。サングラスや下じきでも見ない。
病院・健康しんだん→ 寄り道(胃カメラ)
「おなかの中は真っ暗。胃カメラは、どうやって写すと思う?」
- 明かりで照らして写す
- 暗いまま写す
- 外から懐中電灯を当てる
1950年に試作された胃カメラは、管の先の小さな豆ランプを光らせて写した(オリンパス)。
車に乗るとき→ 2つの目とカメラ(3段目)
「前の車までの距離を、2つならべたカメラではかる車があるよ。なんで2つだと思う?」
- 1つがこわれたときのため
- 2つで見ると、距離が分かるから
- 写真を2まいとりたいから
2つのカメラの見え方のずれで、距離をはかる(ステレオカメラ)。車の中では、シートベルトをしめてから話そう。
夜空・星を見る日→ 星を写すカメラ(3段目)
「星を写す、すばる望遠鏡の大きなカメラ。光を受けとめるマスは、いくつあると思う?」
- 1000個くらい
- 100万個くらい
- 9億個くらい
116個のセンサーで、全部で8億7000万画素。満月9個分の空を一度に写せる(国立天文台)。
鏡の前・自分の目→ 寄り道(目とカメラ)
「目の奥にも、景色が映っているよ。どっち向きに映っていると思う?」
- そのまま
- さかさま
- 横向き
網膜には、上下左右が逆の像が映る(日本視能訓練士協会)。ものを見ることは、目と脳の仕事。
🔎 もっと知りたい人へ
このタネは、虫めがねから3つの段で深めます。「光はまっすぐ進む」「小さなすき間は、景色や太陽の形を映す」(1段目・性質)から、光を電気に変えるマスと色のフィルター(2段目・素材)をへて、スマホ・車・病院・望遠鏡のカメラへ広がります(3段目・行き先)。ノーベル賞などの話は「寄り道」にまとめました。どの段で止まってもかまいません。
🟢 光はまっすぐ進む。小さなすき間は、景色や太陽の形を映す1段目・なんで?(5さい〜)
🗣️ 話すなら|懐中電灯を上に動かすと、光はどっちへ?5さい〜
「懐中電灯の光を、厚紙の小さな穴に通すよ。懐中電灯を上に動かすと、穴の向こうの光は、上と下、どっちに動くと思う?」
💭 答えに詰まったら
「懐中電灯から穴を通って紙まで、まっすぐな棒が通っていると思ってみて。穴のところでささえた、シーソーみたいな形。懐中電灯のほうを上げたら、紙のほうはどっちへ動くかな?」
それでも出てこないときは3択に。
- 上に動く
- 下に動く
- 動かない
厚紙に、大人がえんぴつの先で小さな穴をあけ、本ではさんで立てる。うしろに、少しはなして白い紙を立てる(はなすほど、光の動きが大きくなる)。足元を片づけてから部屋を暗くし、光を穴に向けたまま懐中電灯を上や下に動かして、うしろの紙を横からのぞいてみよう。光を人の目に向けない。
たねあかし光は、まっすぐ進むんだ。上から来た光は、穴を通ると、そのまま下へ進む。だから、懐中電灯を上に動かすと、紙の光は下に動く。外の景色も同じ。上にある空の光は下に、下にある地面の光は上に届く。だから、小さな穴を通った景色は、さかさまに映るんだよ。
🌀 もう一歩
「じゃあ、小さな穴より、虫めがねのほうが明るく映るのは、なんでだろう?」
虫めがねのレンズは、光を曲げて集めるから。小さな穴より、たくさんの光が集まって、明るい景色が映る。そのかわり、くっきり映る所(ピント)が決まっているんだ。
✅ ここで終わってもOK光はまっすぐ進む。だから、小さな穴を通った景色は、上と下が入れかわって映る。
🗣️ 話すなら|木もれ日は、なんで丸いの?小学生〜
「晴れた日の木の下。地面にちらちら落ちる木もれ日の光は、どんな形が多いと思う?」
💭 答えに詰まったら
「すき間の向こうの空で、光っているのは何かな? それは、どんな形をしているかな?」
それでも出てこないときは3択に。
- 葉っぱのすき間と同じ、ばらばらの形
- 丸っぽい形
- 三角の形
晴れた日に、木の下の地面を見てみよう(太陽は見ない)。家では、大人が厚紙に2〜3ミリくらいの三角の穴をあけ、日なたで胸の高さに持って、地面に置いた白い紙に映る光を見る。穴から太陽をのぞかない。穴は三角なのに、映る光は丸っぽくなる。丸くならなければ、厚紙を高く持ってみよう。部分日食の日も、太陽は直接見ない(サングラスや下じきでもだめ)。
たねあかし木もれ日の丸は、何の形だと思う? 葉っぱのすき間の形じゃなくて、太陽の形なんだ。小さなすき間を通った光が、小さな穴(ピンホール)と同じように、空の太陽を地面に映している。太陽は丸いから、木もれ日も丸くなる。太陽の一部が月にかくれる部分日食の日には、木もれ日がいっせいに欠けた形になるんだよ。
🌀 もう一歩
「日食の日に、太陽を安全に見るには、どうしたらいいと思う?」
太陽を直接見ないで、木もれ日や、小さな穴を通して地面に映した光を見る。サングラスや色つきの下じき、双眼鏡でも見ない。ほんの数秒でも、目をいためることがあるんだ。
✅ ここで終わってもOK木もれ日の丸は、葉の小さなすき間が映した太陽の形。
↓ ここから下は、親が読むくわしい説明です。
光はまっすぐ進む小さな穴(ピンホール)を通った光は、まっすぐ進みます。上から来た光は下へ、下から来た光は上へ届くので、穴の向こうの紙やかべには、景色が上下左右さかさまに映ります。ただし、白い紙を前から見るときは、見る人が景色と反対を向いているので、左右はそのままに見えます。穴と紙の距離を変えると、映る景色の大きさが変わります。
レンズは、光を集める虫めがねのような、まん中がふくらんだレンズ(凸レンズ)は、光を曲げて集めます。小さな穴より明るい景色を映せますが、くっきり映る所(ピント)が決まっています。レンズで紙に映した景色も、上下左右が逆です。白い紙を前から見ると上と下だけが逆に見え、すける紙をうしろから見ると右と左も逆だと分かります。
✏️ やってみよう
- 計算: 小さな穴から紙までの距離を2倍にしたよ。紙に映る景色の大きさは、何倍になる?
→ 次の段へ: 「カメラの中で、景色を受けとめているのは何?」
🟡 光を電気に変える小さなマスと、赤・緑・青のフィルター2段目・なにでできてる?(小学校高学年〜)
🗣️ 話すなら|カメラのマスは、色が分かる?小学校高学年〜
「カメラの中には、光を電気に変える小さなマスがならんでいる。このマスは、色が分かると思う? 明るさしか分からないと思う?」
💭 答えに詰まったら
「日なたに手を出すと、あたたかいのは分かるね。でも、手のひらで光の色は分かるかな? 光で電気を作るマスは、目と手のひら、どっちににていると思う?」
それでも出てこないときは3択に。
- 色が分かる
- 明るさしか分からない
- においも分かる
黄色いセロハンを目の前にかざして、部屋の中を見てみよう。青い物は、どう見えるかな? セロハンを外したときとも、くらべてみよう。セロハンごしでも、太陽は見ない。
たねあかしマスは、光の強さしか分からないんだ。そこで、多くのカメラでは、マスの上に、赤・緑・青の小さなフィルターをのせている。赤のマスには赤い光、緑のマスには緑の光が届く。さっきの黄色いセロハンもフィルターで、赤と緑の光は通すけど、青い光は通さない。3つの色のマスが受けとった明るさを組み合わせて、写真の色を作るんだよ。
✅ ここで終わってもOKマスは明るさしか分からない。多くのカメラは、赤・緑・青のフィルターで光を分けて、写真の色を作っている。
↓ ここから下は、親が読むくわしい説明です。
イメージセンサーカメラの中で、レンズが映した景色を受けとめる板です。光を電気に変える小さなマス(画素)が、びっしりならんでいます。マスは、光の強さに合わせて電気を作ります。スマホには、4800万画素のカメラをのせたものもあります。
色を分けるフィルターマスは、そのままでは光の強い・弱いしか分かりません。そこで、多くのカメラでは、赤・緑・青のフィルターをマスの上にならべます。緑を赤や青の2倍にする並べ方が多く使われます。人の目が緑に敏感だからです。スマホの画面は3色の光を重ねて色を出し、赤・緑・青の点がひと組で1つの画素です。多くのカメラは景色の光を3色に分けて受けとめ、1色のフィルターをのせたマス1つを、1つの画素と数えます。
レンズは、何枚も組み合わせるカメラのレンズは、何枚ものレンズを組み合わせてできています。20枚以上のものもあります。光は色によって曲がり方が少しちがい、1枚だけだと色ごとにピントがずれるので(色収差)、ふくらんだレンズとへこんだレンズを組み合わせて、ずれをおさえます。
✏️ やってみよう
- 黄色いセロハンと青いセロハンを重ねて、明るい窓を見てみよう(太陽は見ない)。1枚ずつのときとくらべて、どう見える?
→ 次の段へ: 「カメラは、どこで、どんな仕事をしている?」
🟣 手の中から、おなかの中、星空まで3段目・なにになる?(5さい〜)
🗣️ 話すなら|カメラは、どこに入っている?5さい〜
「カメラは、スマホのほかに、どこに入っていると思う? いくつ言えるかな?」
💭 答えに詰まったら
「おうちで、ピンポンと鳴ったとき、外にいる人の顔が見えるものはあるかな? おでかけのときは、どこで見かけるかな?」
それでも出てこないときは3択に。「じゃあクイズ。この中で、カメラが入っていないのはどれだと思う?」
- スマホ
- お医者さんの胃カメラ
- 虫めがね
家の中で、カメラのついている物を探してみよう。スマホ、タブレット、パソコン…。見つけたら、小さなレンズの丸を見てみよう。レンズは指でさわらない。
たねあかし虫めがねは、景色を映すだけ。カメラは、レンズで映した景色を受けとめて、写真や動画にする道具なんだ。カメラは、スマホにも、車にも、おなかの中を見るお医者さんの道具にも入っている。夜空の星を写す、とても大きなカメラもあるよ。
🌀 もう一歩
「星を写すカメラは、一度にどれくらいの広さの空を写せると思う?」
すばる望遠鏡の大きなカメラは、満月9個分の広さの空を、一度に写せるんだ。
✅ ここで終わってもOKカメラは、映した景色を写真や動画にする道具。スマホにも、車にも、病院にも、星を見る望遠鏡にもある。
🗣️ 話すなら|指が2本に見える? 2つの目とカメラ小学生〜
「人さし指を1本、顔の前に立てて、ずっと遠くを見るよ。指は、何本に見えると思う?」
💭 答えに詰まったら
「右目と左目は、少しはなれているよね。かわりばんこに片目をつぶって指を見ると、指はどう見えるかな?」
それでも出てこないときは3択に。
- 1本
- 2本
- 見えなくなる
人さし指を顔の前に立て(目にはふれない)、指ではなく、ずっと遠くの物を見る。指がうすく2本に見えたら、指を顔に近づけたり遠ざけたりしてみよう。2本に見えにくいときは、片目ずつ交代でつぶって、指の位置がずれるのを見てみよう。
たねあかし指は、2本に見えたかな? 右目と左目は、少しはなれた所から見ているので、指の見える位置がずれて、2本に見えるんだ。このずれは、近い物ほど大きい。だから、ずれの大きさで、物までの距離が分かる。車の中には、2つのカメラの見え方のずれで、前の車や歩く人までの距離をはかるものがある。人の目と同じやり方なんだよ。
✅ ここで終わってもOK2つの目は、見え方のずれで距離を知る。車のカメラにも、同じしくみのものがある。
↓ ここから下は、親が読むくわしい説明です。
🚗 距離をはかるカメラステレオカメラは、2つのカメラで写した画像の見え方のずれ(視差)から、物までの距離を計算します。近い物ほど、ずれは大きくなります。人の目と同じように距離をはかり、車や歩く人、白線などを見分けて、運転を助けるしくみに使われています。
- 📱 スマホ
- うしろにカメラが3つならび、3つとも4800万画素の機種もある
- 🚗 車
- 安全運転を助けるカメラ。2つのカメラ(ステレオカメラ)の見え方のずれで、距離をはかるものがある
- 🏥 内視鏡(胃カメラ)
- 光を電気に変えるセンサーを使った小さなビデオカメラを組みこみ、おなかの中を画面に映す。何人ものお医者さんが一緒に見られる
- 🔭 すばる望遠鏡
- 116個のセンサーで、全部で8億7000万画素。満月9個分の広さの空を一度に写す
- 🌊 深い海・遠い宇宙
- CCD が、宇宙のはるか遠くや深い海の底の、くっきりした写真を写してきた
✏️ やってみよう
- 計算: すばる望遠鏡のカメラは8億7000万画素。4800万画素のスマホのカメラの、約何台分?
- 片目をつぶって、左右の人さし指の先どうしをくっつけてみよう。両目のときとくらべて、かんたん? むずかしい?
📎 寄り道(コラム)
段の本筋を読まなくても、1本ずつで読める寄り道です。言葉のはじまりから、ノーベル賞や目のしくみまで、カメラにつながる話を集めました。
寄り道1・ことばの由来
「カメラ」は、ラテン語で「部屋」
「カメラ」という言葉は、ラテン語の「カメラ・オブスクラ」からきています。カメラは「部屋」、オブスクラは「暗い」という意味で、合わせて「暗い部屋」。暗い部屋のかべに小さな穴があると、入った光が、反対がわのかべに外の景色をさかさまに映します。このことは、紀元前から知られていました。16世紀には、穴のかわりに、より明るい像が得られる凸レンズを使ったものも登場します。画家たちは、映った景色をなぞって、正確な絵をかく手助けにしました。
寄り道2・ノーベル賞は意外と身近
光を電気に変えるセンサー CCD(2009年 物理学賞)
1969年、アメリカのベル研究所で、ウィラード・ボイルさんとジョージ・スミスさんが、光を電気の信号に変えて画像にする半導体の回路「CCD」を発明しました。光が当たると電気が生まれる「光電効果」を使っています。光電効果は、アインシュタインさんが理論で説明し、1921年のノーベル物理学賞を受けた研究です。CCD は、デジタルカメラや医療の道具、宇宙のはるか遠くや深い海の底を写すカメラに使われてきました。2人は2009年にノーベル物理学賞を受け、同じ年の賞の半分は、光ファイバーの研究をしたチャールズ・カオさんが受けました。いまのスマホやデジタルカメラでは、CMOS という方式のセンサーが主に使われています。
寄り道3・お医者さんの道具
おなかの中を写したい(胃カメラ・1950年)
1949年、東京大学の病院の医師・宇治達郎さんが、オリンパス光学工業(いまのオリンパス)に、患者の胃の中を写して見るカメラを作ってほしいと、たのみました。技術者の杉浦睦夫さんたちと試作をくり返し、1950年に試作1号機ができあがります。やわらかい管の先に撮影用のレンズがあり、フィルムは白黒で、はばは6ミリ。手元の操作で小さな豆ランプを光らせて写し、ワイヤーを引っぱってフィルムを巻き上げるしくみでした。のちに内視鏡には、CCD を使った小さなビデオカメラが組みこまれ、おなかの中を画面に映して、何人ものお医者さんが一緒に見られるようになりました。
寄り道4・体の中のそっくりさん
目の奥にも、さかさまの景色
目は、よくカメラにたとえられます。目に入った光は、角膜や水晶体を通って、目の奥の網膜に届きます。このとき網膜には、上下左右が逆になった像が映ります。カメラのレンズの奥と同じです。網膜で光は電気の信号に変わり、脳へ送られます。それでも私たちに、景色がさかさまに見えることはありません。ものを見ることは、目だけでなく、脳の働きによって成り立っているのです。水を入れた丸い透明な入れ物と虫めがねで、目の模型を作る実験もあります。うしろにはったポリ袋に、遠くの景色がさかさまに映ります。日の当たる所でしたり、置いたままにしたりしないでください(光が集まって、火事になるおそれがあります)。
寄り道5・写真のはじまり
いまも残る、とても古い写真(1826〜1827年)
カメラで写した写真のうち、いまも残っているもので、いちばん古いと考えられているのは、ニセフォール・ニエプスさんが1826年か1827年に写した1枚です。フランスの自分の家の2階の仕事部屋から、窓の外の中庭や建物、木を写しました。使ったのは、光で変わるアスファルトをぬった金属の板。この板をカメラ・オブスクラの中に置いて、景色を残したのです。この写真はいま、アメリカのテキサス大学オースティン校にあるハリー・ランサム・センターが保管しています。
虫めがねと白い紙で見た、さかさまの景色。同じことが、毎日使うスマホのカメラの中でも起きていると気づく瞬間が、このタネのゴールです。
- 📘 ピンホール
- 針でつついたような、とても小さな穴。光はまっすぐ進むので、小さな穴を通った光は、向こうのかべや紙に景色をさかさまに映す。この穴で景色を映すカメラを、ピンホールカメラという。
- 📘 ピント
- レンズが映す景色が、いちばんくっきりするところ。くっきり映る距離は、レンズと、写す物までの遠さで決まる。カメラは、写す物に合わせてレンズを前後に動かし、ピントを合わせる。
- 📘 イメージセンサー
- カメラの中で、レンズが映した景色を受けとめる板。光を電気に変える小さなマス(画素)がびっしりならび、多くは赤・緑・青のフィルターで色を分ける。スマホやデジタルカメラに入っている。
✏️ やってみよう
(1) すばる望遠鏡のカメラは8億7000万画素。4800万画素のスマホのカメラの、約何台分?
こたえを見る
8億7000万÷4800万=18.125 なので、約18台分。
(2) 小さな穴から紙までの距離を2倍にしたよ。紙に映る景色の大きさは、何倍になる?
こたえを見る
2倍になる。光はまっすぐ進むので、穴から紙までの距離に合わせて、映る景色も大きくなる。
🔗 ほかにも
木もれ日の丸い光も、にたしくみ。葉っぱの小さなすき間が、小さな穴(ピンホール)と同じように、太陽の形を地面に映している。太陽が少し欠ける部分日食の日には、木もれ日がいっせいに欠けた形になる(太陽は直接見ない)。