未知の装置で全反射の成立と利用目的を判断しよう

このレッスンの役割

「全反射と光の利用」セクションの最終レッスンです。ここまでに、全反射の現象、実験、臨界角、データと作図、光ファイバーを学びました。今回は初めて見る装置でも、全反射と呼べるかを証拠から判断します。

今日の到達点は、物質の進む順序と臨界角との比較を確認し、装置が光の向きを変えるのか、閉じ込めて運ぶのかまで説明することです。

知る・理解する

「光が反射している」だけでは全反射とはいえません。次の順で確認します。

1. 光は水・ガラスなどの内部側から、空気などの側へ向かっているか。
2. 入射角は法線から測られているか。
3. 入射角は、その物質の組合せの臨界角より大きいか。
4. 屈折光がなく、反射光だけになっているか。

プリズムは、ガラス内部の面で全反射させ、鏡を使わずに光の向きを大きく変えることがあります。双眼鏡などでは、光路を折りたたみ、像の向きを整えるために使われます。光ファイバーは同じ全反射を何度も繰り返し、光を遠くへ運びます。

具体例で使う

ある透明物質Aから空気への臨界角が40°で、内部の光が境界へ50°で入射したとします。物質の順序を満たし、50°＞40°なので全反射します。反射角は50°です。

同じ物質へ空気側から50°で光を入れた場合は全反射ではありません。空気から物質Aへ屈折して入ります。角度の数値が同じでも、進む順序が違えば結論が変わります。

水流に沿って光が進む実験なら、水と空気の境界で全反射が繰り返され、光が水流の内部から漏れにくいと説明できます。装置名を知らなくても、光路と条件から判断できます。

誤答を直して次の学びへつなげる

「鏡で光が全部反射したから全反射」は用語の誤りです。全反射は、異なる透明物質の境界で、本来なら屈折して出る光が条件によってすべて反射する現象です。鏡面での普通の反射とは成立条件が違います。

次の「凸レンズの焦点と光の進み方」では、二つの曲面で起こる屈折をまとめて、光が一点へ集まる仕組みを学びます。物質の境界で光路を追う力をそのまま使います。

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。