入射角を変えて屈折光と反射光を比べよう

このレッスンの役割

「全反射と光の利用」セクションの第2段階です。前のレッスンで見つけた「入射角を大きくすると、空気へ出る光はどうなるか」という問いを実験で確かめます。

今日完成させる力は、半円形レンズの内部から平らな面へ光を当て、入射角だけを変えながら屈折光と反射光を同時に記録することです。

知る・理解する

半円形レンズの曲面側から、中心へ向けて光を入れます。曲面にはほぼ垂直に入るので、そこでの屈折は目立ちません。光はレンズ内部を進み、中心の平らな面から空気へ出ようとします。ここで入射角を変えます。

実験手順は次の通りです。

1. レンズの形、中心、平らな境界、法線を紙へ写す。
2. レンズ内部から平らな面へ向かう光を作る。
3. 入射角を小さい値から少しずつ大きくする。
4. 各角度で、空気側の屈折光とレンズ側の反射光の道筋・有無を記録する。
5. 屈折光が境界に沿うときと、見えなくなる直前・直後を細かく測る。

光を直接のぞき込まず、紙に映る光路を見ます。レーザーを使う場合は教師の指示に従い、人の目へ向けません。

具体例で使う

入射角を20°、30°、40°、45°、50°と変えるなら、レンズの材質、光の色、入射点をそろえます。記録は角度だけでなく、屈折光が「ある・境界に沿う・ない」、反射光が「ある」を書きます。

入射角が大きくなるにつれ屈折光は法線から離れ、やがて境界面に近づきます。その後、空気側の屈折光が見えず、反射光だけになります。一回の見え方だけで境界を決めず、角度を細かく変えて再測定します。

誤答を直して次の学びへつなげる

空気側からレンズへ光を入れても、入射角を大きくしたときの全反射条件は調べられません。前に学んだ通り、空気からガラスでは光は法線へ近づくからです。光がどちらの物質から進むかが重要です。

次は測定結果から、屈折光が境界に沿う角を臨界角と呼び、全反射に必要な二条件を言葉にします。

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。