光の反射と屈折 - Biglobe

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第２章 波
6
光の反射と屈折
§１
光の反射と屈折
反射・屈折
光が異なる倍質の境界面に達すると，一部は反射して残りは屈折する。
v1,l1
入射光
●
反射光
反射の法則
入射角 i ＝反射角 i ′
i i'
媒質Ⅰ
媒質Ⅱ
r
屈折光
v2,l2
●
光の絶対屈折率（屈折率）
）で，他の媒質中を伝わるときは
光は真空中を伝わるときが最速（c≒3.0×108〔m/s〕
遅くなる。
例えば，水中を伝わるときの速さは
3.0×108〔m/s〕
1.33
≒2.66×10
≒
2.66×108〔m/s〕になる。
この 1.33 を真空に対する水の屈折率 → 水の絶対屈折率という。
絶対屈折率 n の媒質中では光の速さは
●
c
n
になる。
屈折率 n の媒質中の高速 c ′
，波長 ′
，振動数
真空中
波長
l
′
屈折率nの媒質中
l
波長 l'= n
c′
＝
c
n
， ′
＝
n
，f′
＝f
振動数は媒質が変わっても同じ
物理Ⅰ
光速度c
光速度c'=
振動数 f
振動数 f'
新基礎演習
c
n
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第２章 波
●
屈折の法則
sin i
sin r
入射角
v1
1
2
c
振動数 f
l1
i
＝
＝
絶対屈折率n1の
媒質１
n1
c
＝
n2
n1
n2
不変
境界面
絶対屈折率n2の
媒質２
1
＝
2
1
2
屈折率n1，n2で表すと
r
屈折角
＝
波長
v2
振動数 f
l2
sin i
sin r
屈折光線
＝
n2
n1
となるので，分母，分子を逆
にして間違えることが多い。
n1 sin i ＝ n2 sin r
積の形で覚えると，
媒質 1 での量
媒質 2 での量
覚えやすい！
媒質 1 に対する媒質 2 の相対屈折率n12は
n 12＝
●
n2
n1
全反射
光が屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ入射する場合
入射角 ＜ 屈折角
(i)
(r)
屈折角が 90°になるときの入射角を臨
r
（屈折率小）
（屈折率大）
界角という
n1
r=90°
i
n2
i0
臨界角
屈折の法則より
n1 sin 90°＝ n2 sin i0
sin i0 ＝
物理Ⅰ
新基礎演習
n1
n2
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第２章 波
入射角i（＞i0）のとき屈折光はなくなり，全て反射光になる。
i
●
i
全反射
反射のときの位相の変化
屈折率大
(光学的に密)
山→山
位相変化
なし
屈折率小
(光学的に疎)
山→谷
位相変化
π
屈折率大
(固定端型)
(光学的に密)
屈折率小
(自由端型)
(光学的に疎)
光の分散
白色光がプリズム等に入射すると，波長の違いにより屈折率が異なるために，白色光
は色の違うスペクトルに分かれる。
→
光の分散という。
（虹の七色）
白色光
（プリズム）
～
赤
紫
波長大
熱
作
用
赤　橙 黄 緑 青 藍 紫
赤
外
線
紫
外
線
日
焼
け
等
振動数大
物理Ⅰ 新基礎演習
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第２章 波
§２
凸レンズと凹レンズ
凸レンズと凹レンズ
凸
レ
ン
ズ
凹
レ
ン
ズ
中央部が周辺部より厚い。
中央部が周辺部より薄い。
光軸，焦点（焦面）
●
光軸 … レンズの両球面の中心O1，O2を結ぶ直線。
r2
O1
O
O2
●
光軸
r1
焦点
焦点
F
軸に平行に入射した光は凸レンズ通過後，焦点に集中す
る。
焦点距離
軸に平行に入射した光は凹レンズ通過後，物体の焦点か
ら光が出てきたように進む。
焦点
焦点距離
●
焦面 → 焦点を通って軸に垂直な平面
焦面
平行光線はすべて焦面上の一点に集まる。
F
F'
物理Ⅰ
新基礎演習
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第２章 波
像の作図
●
像を作図するときに使う光線
①
A
③
① → 光軸に平行な光線
F1
…屈折後，焦点F1に向かう
O
F2
A′ ② → 焦点F2を通る光線
②
…屈折後，光軸に平行に進む
A：光源
③ → レンズの中心 O を通る光線
A′
：像
●
…屈折しないで直進
3 つの基本作図
凸レンズ　a > f
a
f
F
F
物
体
凹レンズ
凸レンズ　0 < a < f
a
倒
立
の
実
像
f
b
F
O
f
F
O
正 物
立 体
の
虚
像
b
b
a
物
体
F
正
立
の
虚
像
O
F
a：物体とレンズとの距離
b：像とレンズとの距離
：焦点距離
凸レンズの公式
●
)→ 倒立実像
物体を焦点の外側に置く場合(a＞
A
P
F
B
物体
△ABO∽△A′
B′
O より
焦点
O
a
f
b
A′′
B
…①
＝
a
AB
B′
実像
b
△POF∽△A′
B′
F より
A′
b－
A′′
B
＝
AB
…②
①，②より
b
a
物理Ⅰ
＝
b－
新基礎演習
1
a
＋
1
b
＝
1
倍率＝
b
a
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第２章 波
●
物体を焦点の内側に置く場合 (0＜a＜
)→ 正立虚像
△ ABO∽△A′
B′
O より
A′
P
A
F
O
a
B′ b B
b
A′′
B
…③
＝
a
AB
→
f
△POF∽△A′
B′
F より
b＋
A′′
B
＝
AB
→
…④
③，④より
b
b＋
＝
a
1
a
－
1
b
＝
1
公式の導出は出題されることがあるため，自力で導けるようにしよう。
凹レンズの公式
正立像
A
(a)
P
(c)
A'
光軸
三角形の相似より
レンズ公式
F
F
B
物
体
B'
虚
像
O
焦
点
(b)
1
－
a
1
＝－
b
1
倍率
f
b
m＝
a
b
a
(a , b , f はすべて正とする)
レンズの公式のまとめ
レンズ公式
1
a
倍率
1
＋
b
＝
1
m＝
b
a
左の値が正
左の値が負
a
レンズの前方（実物体）
レンズの後方（虚物体）
b
レンズの後方（実像）
レンズの前方（虚像）
f
凸レンズ
凹レンズ
倒立像
正立像
b
a
物理Ⅰ
新基礎演習
入射光線側
（レンズの前）
レ
ン
a>0（実光源） ズ
b<0（虚　像）
屈折光線側
（レンズの後）
b>0（実　像）
a<0（虚光源）
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