臨界角と全反射が起こる二つの条件を説明しよう

このレッスンの役割

「全反射と光の利用」セクションの第3段階です。前の実験では、レンズ内部から空気へ向かう光の入射角を大きくすると、屈折光が境界へ近づき、最後には見えなくなることを観察しました。今回はその変化を臨界角と全反射という言葉で整理します。

今日の到達点は、全反射に必要な「光が水・ガラスなどの側から空気側へ進む」「入射角が臨界角より大きい」という二条件を説明することです。

知る・理解する

水やガラスから空気へ進む光は、入射角を大きくすると、屈折角も大きくなります。屈折角が90°となり、屈折光が境界面に沿って進むときの入射角を臨界角といいます。

入射角が臨界角よりさらに大きくなると、空気へ進む屈折光はなくなり、光はすべて元の物質側へ反射します。これが全反射です。反射光には反射の法則が成り立ち、反射角は入射角と等しくなります。

臨界角は物質の組合せで異なります。「45°」のような一つの値を全物質へ使うことはできません。中学段階では、実験表から屈折角が90°になる入射角や、屈折光が消える境目を読み取ります。

具体例で使う

ガラスから空気へ進む光の臨界角が42°だとします。入射角35°なら一部は空気へ屈折し、一部は反射します。入射角42°では屈折光が境界に沿います。入射角50°なら全反射し、反射角は50°です。

同じガラスでも、空気からガラスへ進む光にはこの全反射は起こりません。入射角が70°と大きくても、物質の進む順序という第一条件を満たさないからです。

誤答を直して次の学びへつなげる

「入射角が大きければ、どこでも全反射する」は一条件しか見ていません。最初に光がどちらの物質からどちらへ進むか、次に臨界角を超えるかを確認します。また、臨界角は境界面からでなく法線から測ります。

次は誤差を含む測定表から臨界角の範囲を見つけ、全反射した反射光を正しい角度で作図します。

自分で確かめよう

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。