光の反射・屈折とレンズの原理を理解する

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  1. 反射の法則

    光が鏡のような滑らかな面に当たると、入射角と反射角は常に等しくなるという法則です。鏡に自分の姿が映って見えるのは、この原理によるものです。

  2. 屈折とスネルの法則

    光が空気から水のように密度の異なる媒質へ進むと、速度が変化して進路が曲がります。これを「n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂」というスネルの法則で説明します。

  3. 全反射と光ファイバー

    密度の高い媒質から低い媒質へ、臨界角より大きい角度で光が入射すると、屈折せずに100%反射します。この原理が、光信号を長距離まで伝える光ファイバー通信の核心です。

  4. 凸レンズ — 光を集めるレンズ

    中央が厚い凸レンズは、平行に入ってきた光を1点(焦点)に集めます。虫眼鏡や遠視矯正用の眼鏡レンズに使われます。

  5. 凹レンズ — 光を広げるレンズ

    中央が薄い凹レンズは、入ってきた光を広げて焦点を結ばせません。近視(近くしかよく見えない目)矯正用の眼鏡レンズに使われます。

  6. 分散 — プリズムが虹を作る理由

    光は波長によって屈折する度合いがわずかに異なるため、さまざまな色が混ざった白色光がプリズムを通過すると、赤橙黄緑青藍紫に分かれます。

眼鏡レンズにもそのまま当てはまる原理

眼鏡店で視力矯正用レンズを凸レンズ・凹レンズに分けるのも、結局この屈折の原理を利用したものです。光がレンズを通過する際にどちらの方向へ曲がるかによって、遠視と近視の矯正方法が変わります。

虹ができる原理も気になったら

光の分散が実際に空で虹を作り出す仕組みも、この原理の延長線上にあります。無数の雨粒がそれぞれ小さなプリズムのように働き、太陽光を色ごとに分けているのです。

よくある質問

水の中の足が短く見えるのも屈折が原因ですか?

はい、その通りです。水中の足で反射した光が水から空気中に出る際に屈折するため、実際の足の位置よりも短く浅い場所にあるように見えます。

光ファイバーはなぜ全反射を利用するのですか?

光ファイバーは光信号を途中で漏らさず、長距離まで損失なく伝える必要があります。そのためコア(中心部)とクラッド(外側)の屈折率の差を利用し、境界面で光がすべて反射する(全反射)ように設計されています。