高校物理の問題だと思います．

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高校物理の問題だと思います．

「思う」というのは，昔の高校物理の教科書に書いてある問題なのですが，
これ，本当に高校物理の問題として回答できるものなのでしょうか．

その問題は，

「レンズをコーティングをする理由を述べよ」

です．単元的には，光の薄膜での反射ということなのですが・・・
回答してみてください．

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登録：2010/11/30 11:12:01
終了：2010/12/07 11:15:03

※ 有料アンケート・ポイント付き質問機能は2023年2月28日に終了しました。

No.1

hathi216492010/11/30 18:22:42

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高校の物理

http://www.nhk.or.jp/kokokoza//tv/butsuri/archive/resume020.html

http://www.nhk.or.jp/kokokoza/tv/butsuri/archive/resume021.html

http://web.canon.jp/technology/s_labo/light/003/03.html

　　～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～

http://njb.virtualave.net/nmain0124.html

NHKの高校物理講座では回答されてないように思います．

野尻ボードでも高校物理範囲での回答はみつけられませんでした．

2010/12/01 00:03:40

No.2

suppadv35522682010/11/30 22:31:31

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高校物理の範囲ということで考えると、干渉でしょうか？

自信はありません。

コーティングにより表面反射が減少するということを解答させたいのかもしれません。

レンズ表面の薄膜で反射した光と、レンズ表面で反射した光が位相がずれて打ち消しあうことで、光の反射が小さくなる。そんな感じでしょうかね。

http://q.hatena.ne.jp/1291083120

しかし，「透過率を上げる」というコーティングの理由を説明ができないのが問題です．

2010/12/01 00:05:00

No.4

hathi216492010/12/01 09:39:20

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コメント欄が使えないので、この欄を使わせていただきます。

１番の回答者です。　回答の意図が伝わっていないような気がしたので、補足・コメントします。

高校の物理で、干渉を習います。回折も習います。回折も干渉も、波長によって結果が違ってくることを習っていると思います。

偏光フィルターを使用すると反射光が抑えられてすっきり見える効果がでることも習っていると思います。

キャノンのサイトの説明に、下記の部分があります。

レンズ表面に薄い膜ができると、光は膜表面で一回反射し、さらにレンズ表面で反射することになります。膜表面で反射した光とレンズ表面で反射した光は、膜の厚さだけ位相がずれてしまいます。膜の厚さが光の波長の1/4であれば、その波長の光は膜表面の反射光とレンズ表面の反射光でちょうど打ち消しあうことになります。これによって、光の反射がおさえられるのです。光の干渉現象を利用して、反射を消しているわけです。

もしかすると、高校の物理では位相という言葉が出てこないのかな？

それだったら、下記をみてください。関連することを調べるのも高校生の勉強ならやって良いと思います。内容は、高校レベルだと思います。

http://www4.osk.3web.ne.jp/~moroko/physics%28wave%29/interferenc...

これらのいくつかを関連づけて見たときに、光の薄膜での光の挙動が理解できると思います。それがうまく反射を抑えるように材料と厚さを考えたコーティングを施すと理解してはいかがでしょうか。

他の方に対するコメントと同じと同じで恐縮なのですが，

> そうなんですよね．「反射防止のため」ということなら説明できますが，しかし，

>

> レンズにコーティングするのは，「透過率を上げるため」ですよね．

>

> 歴史的にも複数レンズで透過率が劇的に下がるのが問題だったわけですし．

のところを問題にしたいと思っています．

2010/12/01 09:46:52

No.5

a-kuma3497421542010/12/01 23:22:02

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しかし，「透過率を上げる」というコーティングの理由を説明ができないのが問題です．

「率」というところに、マジックというか、悩みの原因があるのだと思います。

入射した光を 100% とすると、反射率＋透過率＋吸収率＝100% となります。割合なので。

コーティングした膜が薄くて、膜の吸収率を無視できるとした場合、反射率が下がれば、透過率は上がります。

http://dummy/

高校生からは，

「打ち消しあってるだけで，反射率は下がっていないと思います．」

と質問されるでしょう．

2010/12/02 22:21:47

rsc 2010/12/01 11:25:38

　こちらは参考になるでしょうか。光には波動性と粒子性があって、波動性については、シュレディンガー方程式で表され、その解釈は、求められた波動関数の絶対値の 2 乗が粒子の存在確率を表すというものです。波が打ち消し合うって言うのは、存在確率が減るってことで、反射をおさえた分が透過するのでは(?_?)この話って大学の教養の物理の話だったような。(^_^;
●EMANの物理学・量子力学・シュレーディンガー方程式
>>
不思議なことに、求められた波動関数の絶対値の 2 乗が粒子の存在確率を表すと考えると計算結果が事実と合うのである。
<<
http://homepage2.nifty.com/eman/quantum/schrodinger.html
●ボルンの確率解釈
http://homepage2.nifty.com/einstein/contents/relativity/contents/relativity305.html
http://homepage2.nifty.com/einstein/contents/relativity/contents/relativity1021.html
hathi 2010/12/01 15:33:04

キャノンのサイトには【干渉によって打消し合って、反射光を減らす】と書いてありました。
『「反射防止のため」ということなら』ばその効果はわかったのですよね。
入射光は、反射光と透過光になります。入射光が同じで、反射光が減ると、透過光はどうなりますか。入射光の９０％が反射光の方になったら、透過光はどうなりますか。
このサイトには「100%光を反射したり」というコーティングもできると書いてあります。
http://www.konicaminolta.jp/about/research/core_technology/material/thincoating.html
　
紹介した先には、続いて次のように記載されています。
多層膜コーティングで透過率は99.9％に
コーティングの材料にはフッ化マグネシウム（MgF2）や水晶が用いられます。「真空蒸着」や「スパッタリング」（プラズマによる蒸着技術）によって、レンズの表面にきわめて薄い均一な膜を形成していきます。ただし、実際の光にはさまざまな波長の光が含まれていますから、一層のコーティングだけですべての波長の反射をおさえることはできません。さまざまの波長の光の反射をおさえるには、複数層のコーティングが必要になってきます。これは高級なレンズに用いられるコーティング「多層膜コーティング」と呼ばれています。現在では10層を超えるコーティング技術が開発され、多層膜コーティングをほどこしたキヤノンの高級レンズでは、紫外線から近赤外線まで広範囲な波長域にわたって99.9％もの光透過率を実現しています。
　
もう一度ここを読んで1/4波長ずらすことの効果も見直してください。
レンズ表面に薄い膜ができると、光は膜表面で一回反射し、さらにレンズ表面で反射することになります。膜表面で反射した光とレンズ表面で反射した光は、膜の厚さだけ位相がずれてしまいます。膜の厚さが光の波長の1/4であれば、その波長の光は膜表面の反射光とレンズ表面の反射光でちょうど打ち消しあうことになります。これによって、光の反射がおさえられるのです。光の干渉現象を利用して、反射を消しているわけです。
tdoi 2010/12/01 17:21:38

大学の振動波動論の授業は理解していないので、rsc96074さんやhathiさんがおっしゃっている部分がもやもやしてしまっています。

「50℃の水と30℃の水を同量混ぜたら40℃の水になった」的な考え方をすると、

「膜表面で反射した光とレンズ表面で反射した光が混ざると、存在はするが、打ち消しあって、見えなくなった」

と考えてしまうんですよね。

では、そのエネルギーはどこへ行ったと考えると、無になることはないでしょうから、レンズの中に入る光がその分増える以外はないような気もするんですけどね。
きっとこの辺は振動波動論の授業をちゃんと理解していれば、分かったのでしょうが。

とはいえ、少なくとも私が高校生だったときの指導要領ではここまでの内容は、きっちりとは説明できなかったと記憶しています。

個人的に思うのは、先端の利用方法としてさらっと流してねという感じで載っていたか、当時の指導要領ではこのあたりも含まれていたかですかねぇ。
時として指導要領では、「こういうものです」という教え方を強要するので、打ち消しあうことでレンズは透過率を高めているという事実だけ教えていたのかもですね。
rsc 2010/12/01 17:55:04

(入射する光子の数)＝(反射する光子の数)+(透過する光子の数)で、反射する光子の数と透過する光子の数がトレードオフの関係になっています。
hathi 2010/12/01 18:07:27

私は、「大学の振動波動論の授業」はいらないと思っています。
　
rsc96074 さんは、大学受験のセンター試験対策のサイトを参考に出しています。
http://www.keirinkan.com/kori/kori_physics/kori_physics_1_kaitei/contents/ph-1/4-bu/4-3-4-1.htm#Anchor-5819
この中で「レンズの表面に1/4波長の厚さをもち，ガラスより屈折率の小さい薄層をつけると，レンズの表面による反射を少なくすることができる。さらに，この膜の屈折率が，ガラスの屈折率と空気の屈折率との相乗平均(n1＝（数式）)であれば，反射率を0にすることができる。このようにすると，透過光を増大することができるし，レンズの内面反射も防ぐことができる。このようなレンズを通して物体を見たり，写真をとると，コントラストがはっきりとした明瞭な像が得られる。」と説明しています。ここまでしっかりと波長や幕厚、屈折率を理解しなくても解答して良いのではないかと思います。
問題も、透過率が上がる条件を限定することまで求めていないように思います。
いろいろな条件を考えないで、数式も使わないで、レンズ表面に薄くコーティングさせて、光の干渉で反射光を減らせる＝透過光を増やせるというイメージで、この高校の物理の問題の解答をだしても良いのではないかと思うのですが、それではいけないのでしょうか。
rsc 2010/12/01 22:10:47

それはそれでいいと思います。そういえば、条件が高校の物理とか書いてましたよね。(^_^;
tdoi 2010/12/02 16:01:43

hathiさんに上げてもらったURLの解説はとても分かりやすかったのですが、高校レベルの物理の知識しか持っていない自分のような中途半端な人間にとっては、疑問が残りました。

位相のかさねあわせによって薄膜により反射率を下げることができるのは分かるのですが、”打ち消しあう”という言葉が曲者に感じています。この説明を純粋に受け取ると、反射光は存在するけれども、打ち消しあうことにより観測できない、という意味に捉えてしまうのではないかなと思います。

別の言い方をすると、

(入射する光子の数)＝(反射する光子の数)+(透過する光子の数)

はとても納得なのですが、反射する光子は同じ物体から同じ物体に当たるのだから、実は反射する光子の数には変化はないけれども、反射して観測される光子が減るのではないか？という風に考えてしまいます。そうすると、透過する光子の数も変わらないんじゃないかなと思ってしまいます。

この辺が光が粒子であり波であることに起因する面白い特徴なんでしょうけどね。
ita 2010/12/02 18:14:41

多層膜の計算
http://mph.fbs.osaka-u.ac.jp/~ssc/excelde/excelde.html
ここからDLできるPDFに計算法が書いてあります。
厳密な計算は、フィルムの中を複数回反射してどちらかに出るような経路も考える必要がありますが、それも計算することができます。
Now 2010/12/02 22:56:33

みなさん，コメントありがとうございます．

この問題は，反射光が打ち消し合うから，反射が少ないというよりは，
レンズ表面の物性が変わったから，反射が少ないということの方が
高校生にとっては，論理的ではないでしょうか．

反射光が打ち消し合うということが本質であれば，ポリエチレンコー
ティングでもいいはずですが，そういうのはありません．
レンズでは必ず低反射の物質が使われています．
（ここで，低反射と言っているのは，反射光が打ち消されていると
いうこととは関係なく，ただ単純に反射が少ないという意味です．）

なので，実は膜厚ってあまり関係ないのではないかと思っていますが，
レンズのプロ達が膜厚を計算してコーティングしているのですから
・・・

とかなんとか書いていて，itaさんの書き込みを見て，直接透過光と
反射透過光が強め合う膜厚になってるのかなと思いました．
これなら納得できますね．
Now 2010/12/14 09:02:41

正直，まだ解決していないのですが，コメント無いので，とりあえず終了します．
いるか賞は，たくさん紹介して頂きたrsc96074さんにしました．