光の進路と屈折率

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光の進路と屈折率

理科の実験やマジックで、コップに絵を書いてはじめは見えなかったものが水を注ぐと見えるようになります。これは光の屈折が関わっています。今回は光の屈折について見ていきます。

 

 

光の屈折

光が物質中を進むとき、その媒質の密度によって速度が変わります。これによって境界面で進行方向が変わり、これを光の屈折と言います。例えば空気中から水に光が入る時に以下のような進路をとります。

 

 

つまり冒頭のマジックは、まっすぐ入っていた光は絵を捉えることができなかったので見えませんでしたが、水を注ぐことで進路が変わって見えるようになっていたわけですね。

 

この時角度iを入射角、角度rを屈折角と呼び、以下の式が成り立ちます。

 

  • sini/sinr=媒質Tの中の光の速度/媒質Uの中の光の速度

 

これをスネルの法則と呼びます。媒質の種類が決まれば速度は決まるので、一定となることがわかります。この一定の値を屈折率と呼びます。特に真空からある物質へ光が進む場合を絶対屈折率と呼びます。

 

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光の進路

屈折現象は、密度の大きい媒質であると光の速度が遅くなり、密度の小さい媒質であると速くなります。また屈折率に応じて以下のような光の進路を取ります。

 

 

 

ここで光の進路を覚えられない人への裏技を紹介します。光の進路は屈折率の不等号を同じように進みます

 

n>1ならば>、n<1ならば<に進むということです。

 

屈折率

屈折率は、温度、光の波長、圧力などに影響を受けます。よってこれらを一定にすることができれば屈折率を固定することができ物質固有の値になります。この性質を利用して物質の試験などに応用されます。

 

日本薬局方では、屈折率は空気に対する値で示し、温度は20℃、光線はナトリウムスペクトルのD線(可視光領域の二重線;589.0nm、589.6nm)を使って測定されます。

 

光の全反射

光が屈折率の大きい媒質(高密度)から屈折率の小さい媒質(低密度の媒質)に入る場合、入射角が一定以上大きくなると界面で全ての光が反射します。これを光の全反射と言い、内視鏡のファイバースコープなどに応用されています。

 

まとめ

  • 光の屈折は、媒質中の密度により光の速度が変わることにより起こる。
  • 屈折率は、入射角によらず一定の値をとる。
  • 屈折率は温度、光の波長、圧力などに影響を受ける。
  • 日本薬局方では、屈折率は空気に対する値で示し、温度は20℃、ナトリウムスペクトルのD線を使って測定される。
  • 光の全反射はファイバースコープなどに応用されている。

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