入射角と屈折角を測る実験を組み立てよう

このレッスンの役割

「屈折の規則性と見え方」セクションの第2段階です。前のレッスンで見つけた「境界へ入る向きと、出る向きにはどんな関係があるか」という問いを実験で調べます。

今日完成させる力は、入射光・屈折光・法線を図で見分け、入射角だけを変えて屈折角を測る手順を説明することです。角度は境界面からではなく、法線から測ります。

知る・理解する

境界へ入ってくる光を入射光、境界を通って進む向きが変わった光を屈折光といいます。光が境界へ当たった点を入射点、その点で境界に垂直な線を法線といいます。入射光と法線の角が入射角、屈折光と法線の角が屈折角です。

実験には半円形レンズを使うと便利です。曲面の中心へ向けて光を入れると、曲面では光がほぼ垂直に入り、目立つ屈折をしません。そのため、平らな面の一か所で起きる屈折に集中できます。

手順は次の通りです。

1. 紙に半円形レンズの形と中心を写す。
2. 平らな面の中心を入射点とし、そこに法線を引く。
3. 光線箱から細い光を当て、入射光と屈折光の道筋に印をつける。
4. レンズを外し、印を線で結ぶ。
5. 分度器の中心を入射点、0度の基準を法線に合わせ、入射角と屈折角を測る。
6. 入射角だけを変えて複数回記録する。

具体例で使う

入射角を20°、40°、60°と変えるとき、レンズの種類、入射点、光の色はそろえます。変える量は入射角、測る量は屈折角です。二つを同時に変えると、何が屈折角の違いを生んだのか判断できません。

測定値が1～2°ずれることはあります。一点だけで法則を決めず、複数の値の全体傾向を見ます。

誤答を直して次の学びへつなげる

境界面から測った角を入射角と呼ぶのは誤りです。分度器を置く前に法線を引き、「どの二本の線の間か」を指でなぞります。また、長方形のガラスを使うと二つの面で屈折するため、どちらを測ったか混乱しやすくなります。

次は測定表から、空気から水・ガラスへ進む場合と、逆向きの場合の曲がり方を言葉にします。

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。