光の屈折の全てが誰でも分かる！タメになる内容満載の記事！

高校物理における光の屈折・屈折の法則について、物理が苦手な人でも理解できるように早稲田生が丁寧に解説します。

屈折という現象は、光や水面でよく見られる現象なので、イメージがしやすいと思います。

本記事では、スマホでも見やすいイラストで光の屈折・屈折の法則、相対屈折率と絶対屈折率、臨界角や全反射についても解説した充実の内容となっています。

最後には、光の屈折・屈折の法則に関する計算問題も用意しました。

ぜひ最後まで読んで、光の屈折をマスターしましょう！

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1：光の屈折とは？

まずは光の屈折とは何かを簡単に解説します。

光の屈折とは、光が空気中から水やガラス中に進む場合のように、異なる媒質の境界を進む時は、下の図のように屈折することです。

以上が光の屈折とは何かの解説です。

 

2：屈折角と入射角・屈折率

光の屈折での学習では、屈折角と入射角を学習します。

では、屈折角と入射角とは何なのでしょうか？

下の図のように、光が媒質１から媒質２に入射して屈折したとします。この時、光が入射した点（入射点）Oで媒質の境界面に垂直に引いた線ABと入射した光のなす角αを入射角と言います。

また、屈折した光と線ABのなす角βを屈折角と言います。

入射角の大きさを変えると当然、屈折角の大きさも変わります。

しかし、入射角の大きさに関わらず、

sinα / sinβの値は常に一定になります。

sinα / sinβのことを媒質１に対する媒質２の屈折率といい、n₁₂と表します。

屈折率は非常に重要なので必ず覚えておきましょう！

 

3：光の屈折の法則・相対屈折率

光が屈折するのは、それぞれの媒質の中での光の速さが違うからです。

下の図のように、媒質１、２での光の速さをそれぞれv₁、v₂とし、それぞれの波長をλ₁、λ₂とします。

すると、媒質１に対する媒質２の屈折率n₁₂について、以下の式が成り立ちます。

屈折率n₁₂

= sin_α / sin_β

= v₁ / v₂

= λ₁ / λ₂

以上の屈折率は特に、相対屈折率と言われているので覚えておきましょう！

 

4：光の絶対屈折率とは？

光の相対屈折率があるなら、光の絶対屈折率があってもおかしくないと思った人は正解です！

では、光の絶対屈折率とは何なのでしょうか？

光の絶対屈折率とは、光が真空中から物質中に進む場合の屈折率のことです。

単に屈折率と言われた時は絶対屈折率のことを指すので覚えておきましょう！

 

5：物質中の光の速さ

絶対屈折率から、物質中における光の速さを求めてみましょう。

下の図のように、絶対屈折率がnの物質中の光の速さをv、真空中における光の速さをcとします。

すると、光の屈折の法則より、

n = c/ v となるので、

v = c/ n・・・（※）

となります。以上が物質中における光の速さになります。

 

6：相対屈折率と絶対屈折率の関係

相対屈折率と絶対屈折率の違いがわかったところで、相対屈折率と絶対屈折率の関係について解説していきます。

媒質１、２の絶対屈折率をそれぞれn₁、n₂とし、光の速さをそれぞれv₁、v₂とします。

ここで、前章で学習した通り、物質中における光の速さ（※）より、

v₁ = c / n₁

v₂ = c / n₂

なので、媒質１に対する媒質２の相対屈折率n12は、

n₁₂

= v₁ / v₂

= (c/n₁) / (c/n₂)

= n₂ / n₁

となります。

媒質１に対する媒質２の相対屈折率n₁₂は、媒質１の絶対屈折率n₁と媒質２の絶対屈折率n₂で表すことができるということですね。

光の相対屈折率と絶対屈折率の関係は物理の問題を解くときにもよく使うので、ぜひ知っておきましょう！

 

7：光の屈折における臨界角

下の図のように、水中から空気中へ光が進む場合を考えてみます。

①の場合は、光が屈折して空気中に出ていますね。この光を少しづつ右へ移動させると、②のように、屈折角が90°になる箇所が出てきます。

②の場合、屈折した光は水面と平行になります。この時の入射角のことを臨界角と言います。

以上が臨界角の解説です。臨界角が理解できたら、次の章では全反射ついて学習しましょう！

 

8：光の屈折における全反射

先ほどの図において、③のように②よりも右側に光をあてると、光は屈折することなく、全部の光が反射します。

これを全反射と言います。

一般的に、光が屈折率（絶対屈折率）の大きい物質から小さい物質に進むときは、屈折角の方が入射角よりも大きくなります。

したがって、屈折角が90°になる入射角（臨界角というのでした）が存在することになり、これ以上の入射角で入社する光は全て反射してしまう（全反射）というわけです。

以上が全反射の解説になります。

 

9：光の屈折に関する練習問題

最後に、光の屈折に関する練習問題を用意しました。ぜひ解いてみましょう！

光の屈折：練習問題

下の図のように、媒質１〜媒質３まで３つの媒質がある。

媒質１から媒質２に入射する時の屈折率をn₁₂、媒質１から媒質３に入射する時の屈折率はn₁₃のように表すとする。

この時、光が媒質２から媒質３に入射する時の屈折率n₂₃を、n₁₂とn₁₃を用いて表せ。

解答＆解説

まず、

n₁₂ = sinθ / sinA

n₁₃ = sinC / sinB

なので、

n₂₃ = sinA / sinB

となります。

ここで、光の屈折よりC=θなので、

n₂₃ = n₁₃ / n₁₂・・・（答）

となります。

 

光の屈折のまとめ

光の屈折が理解できましたか？

光の屈折の基礎や相対屈折率・絶対屈折率、光の速さや臨界角・全反射など盛りだくさんの内容だったかもしれません。

光の屈折は高校物理でも重要な分野の１つなので、必ず理解しましょう！

この記事の執筆者

ニックネーム：やっすん

早稲田大学商学部4年
得意科目：数学