中1物理【光の屈折・全反射】

このページでは「光の屈折とは何か」「どのように光の屈折が起こるのか」「全反射とは」について解説しています。

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1．光の屈折

 

光には「同じ物質を進むかぎり直進する」という性質があります。

しかし、光が折れ曲がって進むときもあります。

 

異なる物質を進むときはその境界面で折れ曲がるように進みます。

これを光の屈折と言います。

 

ここでは

❶光が空気中から水中へ進むとき

❷光が水中から空気中へ進むとき

の屈折のようすを紹介します。

 

❶　空気中から水中へ光が進む場合

↓のように空気中から水面に向かって光がやってきたことを考えましょう。

光が入射したところに垂線を引きましょう。

光と垂線の間にある角には名前がついています。(↓の図)

※光と水面の間の角には名前がない。

 

光は水面にあたると一部が反射します。

このとき入射角と反射角は等しくなります。(↓の図)

すべての光が反射するわけではありません。

水中を進む光もあります。

光は↓の図の点線の方向に進んでいきたいですが…

 

ここで屈折が起こります。

空気中から水中へ進むとき、入射角よりも小さい角をつくるように光は屈折します。

空気中より水中の方が動きにくい。

光も水中の方が動きにくいのです。つまり、あまり遠くに行けません。

 

そのため、上図のように入射角よりも小さい角をつくるように屈折します。

言い換えれば、空気側の角（この場合は入射角）の方が大きくなるように屈折しています。

 

よって空気中から水中へ光が進むとき

入射角＞屈折角

となるように屈折が起こります。

 

❷　水中から空気中へ光が進む場合

↓の図のように、水中から出た光が水面へ向かってきた場合を考えましょう。

 

先ほどと同様、光が入射したところに垂線を引きます。

垂線との間にできる角は入射角という名前がついています。

入射角と同じ大きさの反射角をつくるように光の一部が反射します。(↓の図)

 

残りの光は↓の図の点線のように空気中に出ようとしますが・・・

ここで屈折が起こります。

今度は空気中へ出るので、水中よりも進みやすいです。

つまり遠くに行くことができます。

 

よって入射角よりも大きな角をつくるように屈折します。

言い換えれば、空気側の角（この場合は入射角）の方が大きくなるように屈折しています。

 

 

よって↑の図のように

入射角＜屈折角

となるように屈折が起こります。

 

 

 

2．全反射

 

全反射について解説します。

↓の図のように水中から空気中へ光が進む場合を見てみましょう。

 

 

水面にやってきた光は

・一部は反射する（入射角＝反射角）

・残りの光は屈折する

という2通りの進み方があります。

 

このうち屈折について、

空気側の角が大きくなるように屈折します。(↓の図)

 

ここで入射角を大きくしていきましょう。(↓の図)

 

先ほど同じく

・一部は反射する（入射角＝反射角）

・残りの光は屈折する（空気側の角が大きくなるように屈折）

という2通りの進み方があります。(↓の図)

 

さらに入射角を大きくしましょう。(↓の図)

 

この場合も

・一部は反射する（入射角＝反射角）

・残りの光は屈折する（空気側の角が大きくなるように屈折）

という2通りの進み方があります。(↓の図)

 

 

↑の図では屈折角がほぼ90度になっています。

 

これ以上入射角を大きくしたらどうなるでしょうか？

 

 

光は

・一部は反射する（入射角＝反射角）

・残りの光は屈折する

の2通りの進み方がありましたが・・・

 

これ以上、入射角を大きくすると「反射」と「屈折」のうち「屈折」が起こらなくなります。

よって光がすべて反射します。

このような現象を全反射といいます。

 

 

「空気中から水中に進むとき」では全反射は起こりません。

「水中から空気中に進むとき」だけ全反射は起こると覚えておきましょう。

 

この全反射を利用した器具として、光ファイバーを覚えておきましょう。

 

インターネット関係で「光回線」という言葉がありますが、そのケーブルに使われているのが光ファイバーです。

 

 

 

※そのほかの屈折現象については→【いろいろな光の屈折】←を参考に。