【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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みんなの回答
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Brutus
満足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
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ak2ey4
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ak2ey4
この質問へのコメント
質問の情報
- 登録日時
- 2010-11-18 18:08:13
- 終了日時
- 2010-11-25 18:10:04
- 回答条件
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こちらに載せておきます
http://natsci.kyokyo-u.ac.jp/~okihana/kaisetu/magaru.html
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
ありがとうございます。よく読んでみます。
「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。
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。
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。
「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
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。
よく見たら、厨房さんでしたか。もうやめな。
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。
「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。
｛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。