【全反射】ガラスも水も、鏡になる

👇の写真をみてください。

水中から撮影した写真です。スイスイ泳いでいる魚が2匹見えませんか？


しかし…実際にいる魚は1匹だけです。上の方の魚は、水面に映った魚の像です。よく見ると、上の魚は逆さまになってますよね？


水面がまるで鏡のように、くっきりと魚の象が映っています。

🌟 もう屈折できない！全反射

光の反射と屈折をマスターするため、水面が光になってしまう物理現象、全反射を学びます。


まずは、入射角と屈折角の関係を詳しく。

入射角が大きくなれば屈折角も大きくなる

水中やガラス中から、空気中へ光が出ていく場合を考えます。斜めから入れば、当然水面で屈折します。

ではここで、徐々に入射角が広い光を考えてみましょう。

入射角が大きい光は、屈折角も大きくなっていることが分かるはずです👇

屈折の限界

さて、この調子で入射角の大きい光を調べると……、屈折角の限界が来ます。屈折角が90°になってしまうのです。

👆を見れば分かるように、屈折光は平行に走っています。


ここからさらに入射角を大きくすると、もはや光は屈折できません。


屈折できず、もはや反射だけになってしまいます。

光を強く反射する、全反射

入射角が大きすぎて、もはや屈折できなくなってしまう。その結果、「光が境界面で全て反射」してしまった。


こんな現象を、全反射といいます。屈折しないため、光のパワーが全て反射する現象です。

全反射は、光を境界面で全て反射させます。したがって、

• 全反射していないときの反射光
• 全反射したときの反射光

の2つを比べると、全反射の方が強い光です。全反射していない場合は、屈折により光が逃げるからです。

全ての光が跳ね返る全反射は、まさに鏡と同じ状態。

🐟 全反射が、水面を鏡にする

屈折させず、全ての光を反射させる全反射は、つまり鏡と同じ力を発揮します。

水面にハッキリ映る、逆さまの魚

もう一度、👇の写真を見てみましょう。

上側の魚は、水面に映っている魚の象。


こんなにもハッキリ映っているは、全反射により、水面が鏡のように強く光を反射しているからです。

水面が鏡のように強く光を反射するため、魚がハッキリと映るのです。


全反射しない角度から見ると、反射光が弱いので薄い魚が映ります。これでは、鏡のようにハッキリとは見えません。

水中で全反射が起こる角度にいれば、水面が鏡のように見えるでしょう。

泳いでいる人が、水面に鏡のようにバッチリ映ってますね。こんなにハッキリ映るのは、反射光が強い全反射のおかげ。

見えない水中の魚

空気中から水中を覗き込むとき、全反射のおかげで、角度によっては水中の魚が見えない場合があります。

全反射すると、魚からの光は空気中に出ていきません。よって水中が透き通ってよく見えたとしても、②からは魚が見えません。

🔶 ガラスの方が全反射しやすい

『【光の屈折】光も泳ぐと遅くなる！光が曲がる理由』では、光が速く走れる媒体を比較しました。


光は、水よりガラスを通る方がスピードが遅くなります。

光の速さ	進む場所	速さ(およそ)
	👩‍🚀 真空(宇宙)	30万km/s
	🏃‍♀️ 空気中	30万km/s (真空よりは遅い)
	🏊‍♀️ 水中	22.5万km/s
	⚪️ ガラス中	20.5万km/s

水よりガラスの方が物質がギッシリ詰まっているので、スピードは遅くなります。

ガラスの方が屈折率が大きい

光は、違う物質を進むとき、

• 反射
• 屈折

の2つの現象を起こします。

光が屈折する原因は、違う場所を進むときに光のスピードが変わるからでした。


例えば空気中から水に入射するときは、車の片方の車輪だけ、沼地に入ってしまうのと同じ理屈です。

この理屈で考えると、「光のスピードが遅くなってしまうものほど大きく屈折してしまう」ことになります。深い沼地の方が、車の車輪は足を取られてしまうからです。


たとえば、

• 水 (光は秒速22.5万kmになる)
• ガラス (光は秒速20.5万kmになる)

を比べてみましょう。


光にとっては水よりガラスのほうが進みにくいので、ガラスにぶつかったときの方が大きく屈折します。ガラスの方が、深い沼地なのです。

水とガラスの全反射比較

光が空気中へ出るときの、水とガラスの屈折の差を比べてみます。

これは、「ガラスは水よりも、全反射しやすい」ことを意味します。👆の図を見てください。ガラスの方は、水に比べて早く屈折の限界が来ますよね。

ガラスは水よりも全反射しやすいため、双眼鏡などの器具では、全反射するプリズムを鏡の代わりに使っています。

📚 おすすめ参考文献

▶️ 参考になったビデオ