中1物理【光の屈折・全反射】

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1.光の屈折

■光の屈折
光が異なる物質を進むときに、その境界面で折れ曲がる現象。

→【光の反射】←で「光は同じ物質を進むかぎり直進する」と書きました。
ですが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。

▼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)
→【光の反射】←を参考に。

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ね。(↓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ですよね。光も同じで水中の方が動きにくい。
つまり、あまり遠くに行けません。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するんです。
空気側の角の方が大きくなるように屈折は起こるのです。

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。

▼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。
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。
やはり空気側の角の方が大きくなるように屈折します。

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。

以上が光の屈折です。
ポイントは空気側にできる角の方が大きいということです。

■光の屈折のルール
空気側にできる角の方が大きくなるように屈折する。

2.全反射

■全反射
水(ガラス)中から空気中へ光が進もうとするとき、光がすべて反射する現象。
この現象を利用した道具の代表例が光ファイバー

↓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。

先ほど書いた通り、
一部の光は反射して残りの光は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)

一部の光は反射して残りの光は空気側の角が大きくなるように屈折します。(↓の図)

さらに入射角を大きくしましょう。

この場合も、一部の光は反射して残りの光は空気側の角が大きくなるように屈折します。(↓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?

屈折ができないことになります。
空気中に出ることはなくすべての光が反射します。
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。

ちなみにこの全反射を利用した器具があります。
光ファイバーがその1つです。
インターネット関係で「光回線」なんて言葉を聞いたことがありますか?
そのケーブルに使われているのが光ファイバーです。

3.*屈折に関する法則

■*波の屈折に関するルール
密度の小さいほうの物質側の角が大きくなるように光や音、地震波は屈折する。

空気側にできる角の方が大きいと書きましたが、じゃあガラスを進んでいる光が水面に入射したときはどう屈折するのでしょうか?
ここで光の進みやすさを考えてみます。

空気と水では、光が進みやすいのは空気でした。
これを理科的に言うならば、空気の方が密度が小さいからです。

密度とはモノがどれだけつまっているかということ。
例えば発泡スチロールはすき間があってスカスカです。
こういう物質は密度が小さいという言い方をします。
→【密度】←を参考に。

つまり密度の小さいほうの物質(スカスカな物質)側の角が大きくなるように光は屈折するのです。

水とガラスの場合も同じです。
密度を比べるのです。
水の密度は1g/cm3、ガラスは2.2~2.5g/cm3です。
ということは水の方が角度が大きくなるように屈折します。

■このページのポイント

・空気側の角が大きくなるように光は屈折する。
・だが同時にわずかながら反射も起こっている。
・光が水中(ガラス)から空気中へ進むとき全反射が起こる可能性がある。

コメント

  1. […] これは別に難しい話ではなく、中学でも学ぶ「全反射」のことですよ。こちらなどに分かりやすい解説があります。 […]

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