【光の屈折①】反射と同時に起こる、屈折の基礎を学ぶ

光の屈折基礎 中1理科

この回では、光の屈折の基礎を学びます。

反射の法則など、この前の段階をまだ知らない!という人は、以下を先に学びましょう!

ストローがずれて見えるのはなぜ?

屈折によりずれて見えるストロー
曲がって見えるストロー

この写真のように、ストローは水に入ると、ずれたり、曲がったりして見えます。


一枚目はずれて見えますし、二枚目は水中で曲がって見えます。


これはなぜでしょう?


今回の目標は、この理由を知るための、基礎知識を学ぶことです

実際に「なぜストローがずれたり、曲がったりして見えるのか」は次回に学びます。

そのためにも、今回の光の基礎知識をしっかり学びましょう!

光の屈折

「ずれる/曲がるストロー」の謎を解くために、まず「光の屈折」を勉強しないといけません。

光の屈折
光が曲がる?

光の直進

まず大前提として、光は、

  • 空気中
  • 水中
  • ガラスの中

などなど、物質の中でまっすぐ進みます。

これを、光の直進というのでした。

光の直進
空気中でも、水中でもガラス中でも、光は直進する

光の反射

しかし、

  • 空気中から水中
  • 水中から空気中
  • 空気中からガラスの中

など、ちがう種類の物質にぶつかったとき、光は反射するのでした。

反射の法則

光の屈折

光は反射します。


しかし、実は同時に光は曲がって進んでいるのです。

違う種類の物質にぶつかったとき、反射しながら曲がって進む

光が空気中から水中へ突っ込むとき、反射しつつも、曲がって進んでいきます


光が曲がって進むこと、これを光の屈折(くっせつ)といいます。

光は一部が反射、一部が屈折している

屈折角

屈折した時の角度を、屈折角と言います。

屈折角の位置に注意
屈折角の位置を間違えないこと

上のように、点線の垂線を引いてから、屈折角の位置を確かめましょう。

なぜ光は屈折するのか?

光は屈折することが分かりました。

でもなんで曲がるの?

それにはちゃんと理由があります。

いきなりですが、車は道路では速く進みます。


しかし、水たまりや沼地を進むときは、非常に遅くなります。

車の速さ

光も同じで、水中やガラス中を進むときは、スピードが遅くなります。

水やガラス内では光は遅くなる

では、次は車が斜めに進んでゆく場合を考えます。

斜めから入る車

車が沼に斜めの角度から入ると、進む方向は曲がってしまいます


以下をよく見てください。

光が屈折する理由
片方のタイヤだけ沼地にはまると、進む方向が変わってしまう

最初に白丸のタイヤが沼にはまるので、逆側のタイヤだけたくさん動きます


結果、下方向に落ちるように、車の進路が変わりました。


光も同じ原理で屈折します。

最初に光の白丸部分が沼にはまり、逆側が速く進んでしまう

上の図では、光の白丸部分が先に水やガラスに入るので、その部分が遅くなります。


その結果、反対側だけ多く進み、下方向に光の進路が変わっています。車と全く同じ。

同様に、


水(ガラス)から空気中


に出てくる場合の方向も考えてみましょう。

白丸部分が先に沼を抜けるため、右へ曲がってしまう

上のように車をイメージして考えると、白丸部分のタイヤが先に沼を脱出するので、白丸部分のタイヤがたくさん動きます。

その結果、右方向へ曲がっています


光も同様に考えられます。

水(ガラス)から空気へ抜けるときの屈折方向

光の白丸部分(左側)が先に水やガラスを抜け出すので、その部分が先にスピードアップします。


その結果、光が右側に曲がって進んでいます。車と全く同じ。


光の屈折、まとめるとこんな動きになります。

「空気中から水中にはいるとき」「水中から空気中に抜けるとき」の屈折方向
「空気中から水中にはいるとき」「水中から空気中に抜けるとき」の屈折方向

どっちに曲がるんだっけ?と思ったら、車をイメージして考えること。

光が屈折するのは、水やガラスに斜めに入ったときだけ。


まっすぐ垂直に入れば、屈折せずそのまま直進します。

水に垂直に入射したとき


入射角と屈折角の大きさ

ここまで話を聞けば明らかなことですが…、

入射角と屈折角、どちらが大きくなるかを考えましょう。

以下の画像をよく見てください。

入射角と屈折角の大小
  • 光が、空気から水(ガラス)に進むときは、入射角の方が、屈折角より大きくなってます。
  • 光が、水(ガラス)から空気に進むときは、屈折角の方が、入射角より大きくなってます。


これはとても簡単なことです。


例えば、


「光が、水中から空気中へ進むとき、入射角屈折角どちらが大きくなるだろう?」


と考えるときは、実際に車をイメージすれば簡単です。

入射角と屈折角の大きさの判断

上のように、どちらに屈折するかを車をイメージして考えればOKです。


上の図では、光は右側へ曲がるため、明らかに屈折角が大きくなっています。


「水→空気のときは屈折角が大きい」なんて暗記するのは、頭が良くならないので絶対にやめましょう

「光が空気中から水中に進むとき、入射角と屈折角はどちらが大きくなるだろうか?」


と考えたいときも、車をイメージして図を描いて考えること。

入射角と屈折角の大きさを考える図


上のように描けば、


「光が空気中から水やガラスに進むときは、入射角の方が屈折角より大きい」
(入射角>屈折角)


ことがすぐに分かりますよね。


絶対に暗記せず、車の進む方向をイメージして答えられるようになること。

この回の内容が理解できれば、次回の「なぜストローが曲がって見えるのか?」の解説が簡単に分かります!

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