水の中から水面が鏡のように見える現象を捉えよう

このレッスンの役割

ここは「光の反射・屈折」コースの「全反射と光の利用」セクション、6レッスン中の第1段階です。前のセクションでは、水やガラスから空気へ出る光は法線から離れると学びました。今回は入射角をさらに大きくすると、空気へ出る光が見えなくなる現象を調べます。

今日の到達点は、「水面が鏡になった」のではなく、水中から境界へ向かった光の進み方が変わったのではないか、という問いを立てることです。成立条件は後のレッスンで確定します。

知る・理解する

水中から斜め上の水面を見ると、水面の一部が鏡のようになり、水中の景色を映すことがあります。透明な水面なのに、空気側が見えず、水中の物体が反射して見えるのです。

透明なアクリル棒の端から光を入れると、光が棒の内部を進み、反対の端から出ます。棒をゆるく曲げても光は内部をたどります。この二つの現象には、光が水やガラスなどの内部から空気側の境界へ向かうという共通点があります。

観察事実は「入射角を大きくすると、空気側の光が見えなくなり、水側の反射光だけが見えた」です。この段階では「何度以上か」「空気から水へ入る場合にも起こるか」は未確認です。条件を変える実験が必要です。

具体例で使う

コップの水を下からのぞく場合でも、水面の中央付近は外が見え、遠い部分は鏡のように見えることがあります。目へ来る光が水面へ当たる角度が場所によって違うためです。

ダイヤモンドが強く輝く理由の一つも、内部へ入った光が面で何度も反射し、特定の方向へ出てくることです。ただし、物質と形で条件が変わるため、「透明な物体なら必ず同じ」とは限りません。

誤答を直して次の学びへつなげる

「水面が鏡の材質に変わった」は誤りです。同じ水面でも見る方向によって、空気側が見える部分と反射して見える部分があります。変わったのは境界の材質ではなく、水中の光が境界へ入る角度です。

次は半円形レンズの内部から光を当て、入射角だけを変えて、屈折光と反射光の変化を記録します。

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。