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!

物理 2017.1.6
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!

 

    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。

    光の屈折とは何かの解説画像

    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。

      屈折角と入射角の解説画像

      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!

      屈折率の概説画像

       

      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。

      光の屈折の法則解説画像

      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

      = sinα / sinβ

      = 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。

        光の絶対屈折率解説画像

        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。

          光の速さの求め方解説画像

          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。

            相対屈折率と絶対屈折率の関係解説画像

            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。

              臨界角の解説画像

              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。

              臨界角の解説画像

              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。

                全反射の解説画像

                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。

                  光の屈折練習問題の画像

                  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!

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                    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