【物理学・光学: 「屈折」という現象を説明してください】


わけあって中学理科を復習しています。

そこで、「屈折」という現象ですが、これが理解できません。

Wikipedia「屈折」を見ると、「波[光や音波]の進む速度が媒質によって異なるためと説明される」とありますが、これきりです。私としては、「なぜ波の速度が違う媒質同士の境界では波の進む方向が変わるの?」という感じで、わかりません。「速度の違い」と「方向の変化」とが結びついてくれません。

サブ・クエスチョン: 入射角が臨界角に達した直後(状態Aとします)から、なぜ全反射が起こるのでしょうか? いいかえると、状態Aになる前は、入射角・屈折角・反射角の大きさは比例または反比例して整合的に変化するのに、状態Aからは、いきなり屈折光と反射光が合わさって一つになってしまうのはなぜでしょうか?

以上、説明していただけますか。

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  • 登録:2010/11/18 18:08:13
  • 終了:2010/11/25 18:10:04

回答(6件)

id:Brutus No.1

Brutus回答回数180ベストアンサー獲得回数172010/11/18 18:48:47

ポイント28pt

なぜ光が屈折するのかについてはこちらに詳しく書いてあります

http://www004.upp.so-net.ne.jp/s_honma/refraction/refraction.htm

すみませんが

サブ・クエスチョンについては解りません

id:akkeyyyy

ありがとうございます。よく読ませていただきます。

2010/11/18 20:33:40
id:KENTAKUN777 No.2

藤井回答回数27ベストアンサー獲得回数62010/11/18 19:26:38

ポイント1pt

原子の構造についてはご存知ですか?

id:akkeyyyy

初歩的なことでしたら。

(そういうことはコメントに書いてください)

2010/11/18 20:42:22
id:syntaxerror No.3

syntaxerror回答回数354ベストアンサー獲得回数562010/11/18 21:50:00

ポイント27pt

「光は最短時間で到達できる経路を選ぶ」

これで屈折の説明ができます。


光はどのように進むのか-フェルマーの原理

http://optica.cocolog-nifty.com/blog/2009/12/post-33fd.html

http://optica.cocolog-nifty.com/blog/images/2009/12/01/1.gif


中学の理科から離れますがこの本もいいですよ。

光と物質のふしぎな理論―私の量子電磁力学 (岩波現代文庫)

光と物質のふしぎな理論―私の量子電磁力学 (岩波現代文庫)

  • 作者: リチャード・P. ファインマン
  • 出版社/メーカー: 岩波書店
  • メディア: 文庫

id:KENTAKUN777 No.4

藤井回答回数27ベストアンサー獲得回数62010/11/18 22:25:35

ポイント27pt

はてなは久しぶりなので、コメントがあることに気が付きませんでした。

なぜ屈折をするのか・・・多くの書物が【屈折はするんです!】みたいな書き方で、なぜ光が媒体ごとに違う速度で伝播するのかについては説明されていません。

原子は電子と原子核で構成されています。原子核は+の電荷を持っていることとなっており、電子は-の電荷を持っていることになっています。

さて、光と電荷を持っている粒子との間には相互作用があることをご存知ですか?つまり、光を構成している光子と電荷を持っている粒子はお互いを感じ会うことができるのです。

媒体ごとに原子の構造は違います。光との原子中の電子との相互作用が強ければ強いほど光は減速されます。電子と光子の相互作用は原子核の電荷にも影響されますので(原子核が電子をつかまえる力は原子ごとに違います)、媒体ごとに原子が違うということは、媒体ごとに光子が受ける影響が違う、ということなのです。

まずこの辺までは理解できますか?この辺でつまづくと、全反射は理解できないと思います・・・

id:tama213 No.5

tama213回答回数486ベストアンサー獲得回数302010/11/19 00:50:39

ポイント27pt

質問内容は、中学理科という範囲を超えてます。おそらく高校の範囲からも超えてます。

フェルマーの原理「光は、最短距離ではなく最短時間で到着する経路を取る」という性質があるため

屈折することになってます。なぜ、光は最短距離でなくて最短時間で到着する経路をとるのかとなると

「量子(ミクロ)」の世界での説明が必要で、大学の範囲になります。


・光の屈折

http://illustrator-ok.com/illustrator_koza/color/data_contents/c...

・全反射について

http://blog.livedoor.jp/liberty7japan/archives/931177.html

id:donaemon No.6

donarudo回答回数79ベストアンサー獲得回数42010/11/19 17:18:15

ちなみに中3です。

まずはこの写真をご覧ください。

http://img.f.hatena.ne.jp/images/fotolife/d/donaemon/20101119/20...

このように光には屈折します。

入射角より屈折角のほうが小さいです。

自分が知っている限りでは

光が物体の境目で曲がることを光の屈折といい屈折した光を屈折光という。

また物体の境目に垂直な線との間に作る角度を屈折角といいます。

空気中から水中に光を当てた場合全て水の中に入らず一部は反射します

全反射とは水と空気の境界面で全て反射されてしまうことを言います。

その角度は60度です

光ファイバーもこの原理を利用してます。

サブクエについて。

入射角=反射角 または入射角>屈折角です。(aのとき)

角の大きさは比例していますが反比例はしていません。(多分) 

すいません。問題(サブ)が間違っているのでは?入射角 反射角 屈折角が3つ同時にあるということはないでしょう。

したがって屈折光と反射光があわさるのでは無くて

全反射は入射光のみなのです

id:akkeyyyy

理科の教科書を読み直してください。暗記さえできないのではだめですよ。それから議論の決まりを勉強しましょう。教科書に書いてあることをもう一度言っても意味がないのは言うまでもありません。

今中3とのことですが、高校に入って学ぶ学問はその何倍も難しいし、大学に入ってからはさらに何倍も、そして社会に出てからはさらに何倍も難しいのですよ。

このような発言をしているようでは、大学に入って(入らなくてもよいけど)ゼミの厄介者になってしまうだろうのみならず、社会に出てからは「身の程知らずの愚か者」になってしまいますよ。今すでにそうです。あなたはまだ中3ですから、人格形成はおわっていません。今からでも遅くありませんから、直しなさい。年長者の理性と経験とを過小評価してはいけません。

身の程を知っておかないと、恥をかきますよ。日本文化は「恥の文化」ですから、恥をかくのはとてもつらいことですよ。あなたの恥は、みなの頭からは忘れ去られても、あなたの頭からは消えませんよ。

大人の会話にしゃしゃり出るひまがあったら、勉強しなさい。がんばってね。

2010/11/19 22:43:16
  • id:Brutus
    先ほどの物より、わかりやすい中学生向けの解説もありましたので
    こちらに載せておきます
    http://natsci.kyokyo-u.ac.jp/~okihana/kaisetu/magaru.html
  • id:kuro-yo
    ニュートンは「光は粒子である」と信じていましたが、光を粒子とすると、光の屈折をうまく説明できませんでした。後に、光の屈折が波の屈折として説明できる事がわかり、量子論が出現するまで「光は波である」とされてきました。ちなみに現在では「光は量子である」という量子力学の考え方で落ち着いています。

    したがって、光の屈折について考えるには、まず進行波の屈折について知る必要があります。
    キーワードは、「ホイヘンスの原理」「重ね合わせの法則」です。

    全反射に関連した面白い現象として「近接場光」というものがあるそうです。
    http://web.canon.jp/technology/s_labo/light/004/01.html
  • id:akkeyyyy
    > Brutus様、kuro-yo様

    ありがとうございます。よく読んでみます。
  • id:kamikun
    臨界角は屈折角が90°になるときの入射角だから、それより入射角を大きくしたら屈折が起こらないのは自明。
    「屈折光と反射光が合わさって一つになってしまう」のではなく、屈折光が存在しなくなるのです。
  • id:akkeyyyy
    >kamikun様

    そんな当たり前のことを聞いていると思いますか?

    屈折光になるはずだった分の光が、屈折角90°から突然離散的に反射光の角度に飛躍するのかを問題としているのです。
  • id:kuro-yo
    > 屈折角90°から突然離散的に反射光の角度に飛躍するのか

    入射光は、通常、反射光と屈折光の二つにわかれます(屈折率が変われば空間の伝達インピーダンスも変わるはずなので、反射光は必ず存在するはずです)。
    すなわち、入射光のエネルギーは、反射光のエネルギーと屈折光のエネルギーの二つに分配されるわけです。

    kamikunさんの主張は、屈折光が存在しなくなれば、入射光の全てのエネルギーは反射光に配分される(から、全反射になる)、という事だと思いますよ。

    もっとも、量子力論的には、別に離散的な変化があってもなんら不思議ではありません。
    一見連続的に変化しているように見える事象も、あくまでも光量子の数が非常に多いためにそう見えているだけで、(おおざっぱな言い方をすれば)1個1個の光量子が、それぞれが屈折光か反射光のどちらかに一方になるだけで(どっちになるかは、確率的にしか決まらない)、その個数の割合がそのまま屈折光と反射光の明るさの割合になってるだけです。
  • id:kuro-yo
    ↑あ、エネルギーの吸収がほとんどないと仮定したとき、という前提を書き忘れてました、
  • id:donaemon
    あのさ。
    「わけあって中学理科を勉強しています。」
    だいたい中学校の分野に臨界角なんて出ないんだよ!!(怒
  • id:akkeyyyy
    >kuro-yo様

    私がわからないのは、屈折角90°の直後から、なぜ、屈折光の方向と反射光の方向とが離散的な現象をともなって収束するのか、ということです。

    >donaemon様

    今年度の教科書には出てますよ。
  • id:akkeyyyy
    >donaemon様

    よく見たら、厨房さんでしたか。もうやめな。
  • id:kuro-yo
    > 屈折角90°の直後から、なぜ、屈折光の方向と反射光の方向とが離散的な現象をともなって収束するのか

    まず第一に、これが仮に「離散的な現象」であったとして、それは不自然な事ではありません。
    既に書いたように、量子論的観点からみれば、全ての物理現象は離散的に起きてます。

    その点を脇に置いとくとしても、第二に、(これを「離散的」と呼ぶのは不適切で、「不連続」と言うべきですが)、質問者さんは「不連続な現象をともなって収束」している言うのですが、よく観察してもらえば、「収束」などしていません。
    単に、ある条件に於いて、ある状態になっているだけです。屈折光が存在しえない条件では、反射光だけの状態になる、というだけなんです。

    もしあなたが星空に向けてレーザー光線をパンしたとします。レーザー光線と交差する面の上では、レーザーの光点が、あなたと面の距離にほぼ比例した速度で動く事でしょう。
    面が充分離れていれば、この光点の移動速度を光速以上にする事ができます。しかしあなたは、この現象を示して、「光の速度が光速を超えた」とは言わないでしょう。なぜなら、実際の光の速さというものは、あなたの手許からレーザー光線に沿って測ったものを指すからです。

    今回の例も、ある光線が水面のある場所に当たり、そして方向を変えた。それだけの事なんです。屈折現象の主体である光線の側から見れば、いかなる不連続性(光が途中で途切れてジャンプしたとか)は起きてません。
  • id:YAMADAMAY
    やまだまや(真優) 2010/11/29 23:38:11
    「波[光や音波]の進む速度が媒質によって異なる」と
    「光は最短時間で到達できる経路を選ぶ」の2つで説明できます。
    図はsyntaxerrorさんのを利用させていただきます。
    (数字は仮定です、物理量のディメンションは省略、数値のみで計算)
    まず、上の媒質Xの光の速度が1、下の媒質Yの光の速度が1/2とします。
    A点からB点に直線がX,Yの境界と交わる点をPとしてください。
    光がAからBに進む所用時間は直線の場合(A-P-B)の時はAP/1+PB/1=AB/1なります。
    次に曲がって進む時(A-O-B)の時はAO/1+OB?(1/2)となりこちらのほうが小さいあたいになります。
    上に仮定した媒質Yの伝播速度(1/2)の逆数2が媒質Xに対する媒質Yの屈折率です。
    AOと境界面との角度θ1、OB境界面との角度θ2とした時 sin(θ1)/sin(θ2)が媒質Xに対する媒質Yの屈折率になります。

    ちなみに実感したければ、浜辺の海岸上の点Aから海中の点Bへ全速力で走れば、まっすぐ走るより、ある程度海岸を長めに走ってその後B点に向かった方が速いことが分かるとおもいます。(陸上を走るより、海を移動する方が速い人は、逆になりますが)、とにかく動きやすい方で距離を稼ぐことです。
  • id:YAMADAMAY
    やまだまや(真優) 2010/11/29 23:54:47
    誤変換しました。
    {次に曲がって進む時(A-O-B)の時はAO/1+OB?(1/2)となりこちらのほうが小さいあたいになります。}
    は、正しくは
    {次に曲がって進む時(A-O-B)の時はAO/1+OB/1/2)となりこちらのほうが小さい値になります。}
    屈折率の比は伝播速度(光や音の伝わる速度)の比の逆数の値になります。

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