Ⅱ 光の性質の観察実験

Ⅱ
光の性質の観察実験
１
目的
光は「屈折率が等しい媒質中では直進する。」、
「屈折率の異なった媒質の境界では屈折あ
るいは反射する。」性質がある。これらの性質を光の三法則（直進、反射、屈折）という。
この光の三法則のうち、反射と屈折について検証実験を行い、更にガラスの屈折率を測定
する。この様な実験を通して光の性質について理解する。
２
(1)
関係知識
直進の法則
光は均一な媒質の中であれば、直進する（波長≪媒質の大きさの場合）。
(2)
反射の法則
光が媒質の境界面で反射するとき、入射角θi と反射角θr は等しくなる（図Ⅱ-１）。
反射角
入射角
θi
θr
媒質１
媒質２
法線
図Ⅱ-1
(3)
反射の法則
屈折の法則（スネルの法則）
光は屈折率の異なる二つの媒質の境界では屈折する。屈折の法則（スネルの法則）は、
光が物体と物体の境界面に対して斜めに入射すると波面の進行方向が変化することであ
る。図Ⅱ-２に示すように水の中で物体が曲がって見える現象も屈折の法則によるもので
ある。屈折する原因は、光が屈折率の異なる媒質に進入するとき、今までの媒質内を進
む光の速度が変わるためである。また、屈折の度合いを表す数値を屈折率という。
光の屈折では、次式(2･1)が成立する（図Ⅱ-３参照）。このことをスネルの法則という。
ｎ1・sinθi
ｎ1：媒質１の屈折率
＝
n2・sinθt・・・・・・・・・・・・・・・・(2･1)
ｎ2：媒質２の屈折率
-1-
θi：入射角
θｔ：屈折角
ｎ1 ＞ ｎ2
θt
ｎ2（媒質２）
ｎ1（媒質１）
ｎ1：媒質１の屈折率
ｎ2：媒質２の屈折率
θi
図Ⅱ-２
(4)
屈折の様子
図Ⅱ-３
全反射の法則
屈折の法則
屈折率が大きい媒質から屈折率の小さい媒体に光を入射させるとき、入射角がある角
度まで大きくすると、透過光は境界面に沿う。このときの入射角を臨界角といい、臨界
角より入射角をさらに大きくしていくと透過光はなくなり、入射した光はすべて反射す
る。臨界角を図Ⅱ-４に、全反射を図Ⅱ-５に示す。全反射は屈折率の高い媒質から低い
媒質へ光が進むときに起きる現象である。
ｎ1 ＞ ｎ2
屈折角 90°
ｎ2（空気）
ｎ1 ＞ ｎ2
ｎ1：ﾌﾟﾗｽﾁｯｸの屈折率
ｎ2（空気）
ｎ2：空気の屈折率
ｎ1
ｎ1
（ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ）
（ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ）
臨界角
図Ⅱ-４
入射角θi
臨界角
図Ⅱ-５
-2-
反射角θr
全反射
３
実験
(1)
反射実験
ここではレーザポインタとミラーを使用して光の反射を観察する。被照面は凹凸がな
いものを使用する。
ア
実験に必要な機器
実験に使用する機器の一覧を表Ⅱ-１と図Ⅱ-６に示す。
表Ⅱ-1
実験に使用する機器類
品
名
数
量
90°
レーザポインタ
１
方眼紙
１
70°
ミラー
１
60°
分度器
１
０° 20°30°
イ
図Ⅱ-６
実験手順
45°
実験に使用する機器類
① レーザポインタおよび方眼紙を準備し、方眼紙は分度器を用いて図Ⅱ-６に示すよう
に事前に０度、20度、30度、45度、60度、70度、90度の線を引く。
② レーザポインタのボタンを押すと赤いレーザ光が出る。レーザ光が出力されている
かどうかを確認する。このとき、レーザ光を人に向けたり、目で覗き込まないこと。
③ ミラーの中心を方眼紙の入射角０度の位置になるように置く。
④ レーザポインタを０度の位置に置き、レーザ光をミラーに入射する。このときの反
射角度を観察する。同様に入射角度を 20 度～70 度にしたときの反射角度を測定する。
結果を表Ⅱ-２に記録する。
※注意：ミラーからの反射光を絶対に直接目で見ないこと。
図Ⅱ-８実験の様子２（入射角 30°の時）
図Ⅱ-７実験の様子１（入射角 45°の時）
-3-
ウ
実験結果
表Ⅱ-２
反射実験結果
入射角（度）
反射角（度）
０°
２０°
３０°
４５°
６０°
７０°
(2)
屈折の法則（スネルの法則）
ア
実験に必要な機器
実験に使用する機器を、表Ⅱ-３と図Ⅱ-９に示す。
表Ⅱ-３
実験に使用する機器類
品
名
数
量
レーザポインタ
１
方眼紙
１
ガラス直方体ブロック
１
分度器
１
図Ⅱ-９
イ
実験に使用する機器類
実験手順
① 反射の実験で使用した方眼紙にガラスの直方体を置き、レーザポインタを用いてレ
ーザ光を 45 度で入射する。
②
図Ⅱ-11・図Ⅱ-12のように、レーザ光がガラスの直方体から出てきたポイントに
印を付ける。印を付けたら、分度器を用いてθ2の角度を測定する。測定結果を、
表Ⅱ-４に記録する。
図Ⅱ-10
図Ⅱ-11
実験の様子１
-4-
実験の様子２
ここに印をつける。
θ2
ｎ2（ｶﾞﾗｽ）
ｎ1（空気）
θ1
図Ⅱ-12
ウ
実験の方法
実験結果
表Ⅱ-４
入射角
θ1
屈折角
屈折角
（度）
θ２（度）
４５°
エ
結果の整理
空気の屈折率を n1、ガラスの屈折率をｎ2、入射角をθ1、屈折角をθ2 とし、空気の
屈折率ｎ1≒1、入射角θ1＝45°を式(2･1)へ代入すると、
１
×
sin45°
＝
ｎ2
×
sinθ2
となり、ここで、先ほど測定した屈折角θ2 を上式に代入し、ガラスの屈折率ｎ2 を求
める。（ガラスの屈折率は約 1.52）
今回使用した、ガラスの屈折率を計算すると
-5-
となる。
(3) 全反射の実験
ア
実験に使用する機器
実験機器を、表Ⅱ-５と図Ⅱ-13 に示す。
表Ⅱ-５
実験に使用する機器類
品
名
数
量
レーザポインタ
１
方眼紙
１
半円形ブロック（プラスチック）
１
イ
実験手順
②
②
図Ⅱ-13 実験に使用する機器類
反射の実験で使用した方眼紙の上に半円形ブロックを置く。
レーザ光の入射角度を０度から90度までゆっくりと変化させ、半円形ブロックから
透過するレーザ光を観察する。臨界角度と全反射の角度を記録する。図Ⅱ-14に実
験の様子を示す。ここでは、空気からガラスへの入射角が０度となるように、半円
形ブロックを使用する。
図Ⅱ-14
ウ
実験の様子
実験結果
臨界角
全反射の角度
４
使用したレーザポインタについて
観察実験で使用したレーザポインタはレン
ズ付きのものを利用した。このレーザポインタの特
徴はレーザ光が点でなくライン状に出力されること
である。これにより厚みのあるブロック類にも対応
でき、屈折および全反射の実験を容易に観察するこ
とができる。図Ⅱ-15は一般的なレーザポインタを使
用した場合の反射の結果である。反射の状態をハッ
図Ⅱ-15
出力されるレーザ光の違い
キリと見ることが難しい。
今回写真に提示した実験装置は、㈱睦コーポレーション製の装置の一部（LPL1-635-1S）
を使用している。
-6-