| English | 意味 |
|---|---|
| refraction/rɪˈfrækʃn/ | 屈折 |
| refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ | 屈折率 |
コップの中のストローが折れたように見える
- ストローを水の入ったコップに落としても、表面で曲がって見えます。
- ストロー自体は正常です。光が水から空気へ移動する際に屈折するためです。
- 光は媒質間を移動するときに方向を変えます——これが屈折です。
- 光は異なる媒質内で異なる速度で進むため、この現象が起こります。
光が屈折する理由
- 光は空気よりも密度の高い媒質（ガラス、水）中では遅く進みます。
- 光線がより遅い媒質に入るとき、法線に対して曲がり込み、離れるときは法線から遠ざかります。
- この屈折率は各媒質の屈折率 $n$によって決まります（値が高い $n$ほど光の進行は遅くなります）。
- 空気の屈折率は約 $n = 1$、水は $\approx 1.33$、ガラスは $\approx 1.5$ です。
境界面で光線が曲がる
角度や媒質を変えて、光線が法線に向かうか離れるか観察する。
密度の大きい媒質（ガラスなど）に入射時、光線は:
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
密度の大きい媒質では速度が遅くなり、光線は法線に向かう。
材料が光をどれだけ遅くするかを測る性質 $n$ は ____ である。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
屈折率が大きいほど、光はその材料内をゆっくり移動する。
スネルの法則
- 角度と屈折率はスネルの法則 $n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$ で結びついています。
- 光学において常に通り、角度は法線から測定されます。
- 密度の高い媒質（$n_2 > n_1$）に入ると、$\theta_2 < \theta_1$ が生じます——光線は法線に屈折します。
- スネルの法則は、任意の境界面における光線の屈折量を正確に予測します。
光が空気（$n_1 = 1$）からガラス（$n_2 = 1.5$）に$\theta_1 = 30^\circ$（$\sin 30^\circ = 0.5$）で入射します。$\sin\theta_2$はいくつですか？（小数で答えてください。）
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
$\sin\theta_2 = n_1\sin\theta_1 / n_2 = 0.5 / 1.5 = 0.33$.
スネルの法則を正しく表しているのはどれか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
スネルの法則：$n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$。
全反射
- 逆向き（高密度から低密度へ）に進む場合、光線は法線から遠ざかって屈折します。
- 臨界角を超えると、完全に抜け出せず、内部で全て反射して戻ってきます。
- この全反射により光は光ファイバに閉じ込められ、ダイヤモンドに輝きが生まれます。
- これは屈折の極限状態であり、外部へ光は全く抜け出しません。
臨界角を超えると、ガラスから空気への光は全反射する。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
臨界角を超えると光線は抜け出せず、完全に反射する——全反射。
屈折について すべての正しい記述をSelectしてください。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
屈折はスネルの法則に従う速度効果であり、法線に沿って入射する光線（$\theta = 0$）は全く曲がらない。
屈折は光が媒質間で速度が変わるために起こり、「意図して」行っているわけではありません。光線は密度の高い（遅く、高い$n$）媒質に入る際は法線に屈折し、離れる際はそれから遠ざかります。法線（$\theta_1 = 0$）に沿って境界面に垂直に入射する光線は屈折しません。
光線は空気（$n_1 = 1$）から玻璃（$n_2 = 1.5$）へ $\theta_1 = 30^\circ$ の角度で入射します。$\sin\theta_2$ を求めよ。
- スネルの法則：$1 \times \sin 30^\circ = 1.5 \times \sin\theta_2 \Rightarrow \sin\theta_2 = \dfrac{0.5}{1.5} = 0.33$。
$\sin\theta_2 < \sin\theta_1$ であるため、光線は密度の高い媒質として期待される通り法線に屈折します。
屈折は境界面で光の速度変化のために光線を屈折させます。密度の高い（高い$n$）媒質に入るとき法線に屈折します。スネルの法則：$n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$。臨界角を超えて高密度から低密度へ進む光線は全反射を起こし、これが光ファイバーの原理です。