2-3-1-2 光の反射・屈折  [前項へ] [補足へ] [復習へ] [Home] [次項へ]

(a)光の反射

【反射の法則】

2312-100-1.gif 光もや他の波と同様、反射の法則( 入射角i = 反射角j )が成り立ちます。そして入射光線、反射光線、法線は同一平面内にあります。2-1-3-2 反射の法則参照)


【平面鏡の回転】

2312-90-a.gif  左図のように平面鏡を傾けるとその傾きに比べて反射光線の傾きの方が大きくなります。

2312-80-a.gif  反射光線の回転角は平面鏡の回転角の2倍になります。


【鏡による像】

2312-80-5.gif 鏡に写った像を虚像2-3-2-2参照)といいます。虚像は鏡面に対して対称の位置にあるように感じます。




(b)光の屈折

【屈折の法則】

2312-60-a.gif 光は異なる媒質を通るときその境界面で屈折します。このときや他の波と同様、屈折の法則2312-70-1.gif 、スネルの法則 )が成り立ちます。そして入射光線、屈折光線、法線は同一平面内にあります。2-1-3-3 屈折の法則参照) 2312-65-1.gif


【相対屈折率と絶対屈折率】

上図のように光が媒質1から媒質2へ進むときの屈折率 n 12相対屈折率といいます。対して真空から媒質1へ進む場合の屈折率を媒質1の絶対屈折率といい、 n 1 で表します。ふつう単に屈折率といえば絶対屈折率のことを指します。なのでこれからは相対屈折率のことは屈折率とは言わずハッキリ「相対屈折率」と言うか「物質1に対する物質2の屈折率」と言うように気をつけます。

絶対屈折率の実際の数値をいくつか挙げてみます。
 絶対屈折率真空からその物質へ光が進むとき
空気1.0003ほとんど曲がらない
1.3330ほぼ上図のように曲がる
ガラス1.4585水のときより曲がる
ダイヤモンド2.4195ものすごく曲がる

ここで2-1-3-3 屈折の法則で説明したことを引用しますと

・屈折するのは波の速さが変わるから
・屈折する際に波の振動数は変わらない
・次式が成り立つ 2312-50-1.gif

(1)式より、光が真空から媒質1へ進むときの絶対屈折率 n 1
2312-55-1.gif
同様に、光が真空から媒質2へ進むときの絶対屈折率 n 2
2312-55-2.gif
媒質1から媒質2へ進むときの相対屈折率 n 12 は、(1)式より
2312-56-1.gif
これらの式は一般的に成り立つので 1、2 の添え字を a、b とし、2312-57-1.gif前項参照) 置き換えて、まとめると
2312-58-1.gif

(2)式は、絶対屈折率 n a の媒質中での光速v a は真空中の光速c に比べて 1/ n a になる、という意味です。例えば水中での光速は c の1/1.333 すなわちおよそ3/4になってしまうということです。

(3)式は、2つの媒質のそれぞれの絶対屈折率が分かってれば、光が2つの媒質を通るときの相対屈折率が分かるという式です。例えば光が水(n a =1.333)からガラス(n b =1.4585)に向かうときの相対屈折率は 1.4585/1.333 = 1.094 であると分かります。ただしこの式は注意が必要です。
分子がn b、分母がn aだからといって2312-59-1.gifと想像してはいけません。あくまで光が先に通る方がaであり分母であります。後に通る方がbであり分子であります。ですので正解は2312-59-2.gifもしくは2312-59-3.gifという図であります。(3)式は2312-40-1.gifと覚えた方がいいです。
それから、「物質1に対する物質2の屈折率」という日本語の表現ですが、これは波が物質1から物質2へ進むときの屈折率のことです。
ですから、これらのことと 2-1-3-3 屈折の法則 で説明した覚え方と合わせて 2312-41-2.gif と覚えてください。



(c)全反射  (補足ページもご覧ください。)

2312-30-a.gif 光が異なる媒質を通るとき屈折して先に進むだけでなく、実際には一部は反射して戻ってきます。そしてある条件のもとでは全てが反射して戻ってきます。例えば、水中から空気中へ進むときのように、屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ進むとき、屈折角が90°になる場合があります。このときの入射角をi 0とすると(4)式より

2312-20-1.gif
このような入射角i 0を媒質bに対する媒質aの臨界角といいます。入射角が臨界角より大きいときは光の屈折は起こらず、光は全て反射します。全反射といいます。

2312-10-1.gif 全反射は屈折率の小さい媒質から大きい媒質へ進むときは起こらないので注意してください。屈折角が小さくてどうしても90°にならないからです。

2312-10-2a.gif このことは 2-3-2-1 レンズを通る光 で説明する"光の逆行"と矛盾すると勘違いしやすいですが矛盾しません。

"光の逆行"によれば、屈折率小から屈折率大に進む光は、屈折率大から屈折率小に進むときと同じ道をたどります。(反射光については省略)



2312-10-4.gif ただこのとき屈折率大から屈折率小へ向かうときは全反射するような角度が存在するのに対して、

2312-10-5.gif 屈折率小から屈折率大へ向かうときは全反射する角度が存在しないのです。

2312-10-6a.gif 臨界角となる場合の光の道筋は左図のようになります。

昨今よく耳にする光ファイバーケーブルは、屈折率の大きいガラスなどの素材を中心部に使い、外周部に屈折率の小さい素材を使い、光信号が中心部を全反射しながら進んでいく通信ケーブルです。銅線ケーブルに比べて信号の漏れが少なく外部からの電磁波の影響も受けにくいので、長距離で大容量の通信に適しています。













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