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光の屈折と虹. 光線の逆進性
「アートとしての数学」http://haniu.a.la9.jp/nuas/index.html 光の屈折と虹. 光線の逆進性 光の屈折は, プリズムやレンズをあつかうときの基本原理なので, およそ知っ ているだけでも, 映像関係の制作にはとても役立ちます. また, 光線の逆進性 は光をあつかう制作に大きなヒントになると私は思っています. (1) 光の屈折 空気→水の場合 水→空気の場合 水面の法線 空気 水面の法線 大 空気 水面 大 水面 水 小 水 小 光線が進む方向が, 空気→水, 水→空気, のいずれでも, 光線と法線のなす 角度は, 水の側の方が小さなる. このことは, 上図の水を, ガラスやアクリルに替えても同じ. (ただし, 屈 折の度合いは変わる) (2) 屈折の度合いは色によって変わる 白色光 (日光など) は, 多くの色の光からなっており, 光の波長の長い方か ら書くと, 赤, オレンジ, 黄, 緑, 青, 紫 の順である. 屈折で光が進路を曲げられる度合いは, 光の色によって違う. 図のように, 赤よりも紫の方が, 曲がりかたの度合いが少しだけ強い. (図では, 曲がり かたの違いを実際より大きく描いている) 赤と紫以外の色の光線の進路は, 波長の順に, 赤と紫の間の方向である. 1 空気→水の場合 水→空気の場合 赤 水面の法線 紫 空気 空気 水面 水面 水 水 赤 紫 (3) 光源→水槽→スクリーンの場合の光線進路 (1)(2) のことから, 光源, 水槽, ス クリーンを図のように配置した場 合の, 光線 1 本の進路もわかる. 図のように赤から紫まで光が分か れることが虹色の原因であるが, 図は, 光線 1 本についての進路で, 実際の光は, 光線の束であり, 幅 を持っている. その結果, 少しず れた光線同士から生まれた赤や黄 や緑や紫などの光は混じり合い, 色は白っぽくなり, 両端にだけ赤 と紫が見えたりする. 実際の虹色 の見えかたは, 他の要因もあって さまざまである. 赤 紫 ス ク リ ン 水 光源 (4) 光線の逆進性 [例 1] 図のように, A にある光源からの 光線の 1 本が, 水中に入り屈折し B に至 るとする. このとき, 逆に, B に光源を置 くと, 光線の 1 本は, 逆コースを通って A に至る. A 空気 水 B 2 [例 2] 図のように, C にある光源からの光 線の 1 本が, 鏡で反し D に至るとする. このとき, 逆に, D に光源を置くと, 光線 の 1 本は, 逆コースを通って C に至る. 洗面所で鏡に誰かの顔が見えたら, 相手 からも自分の顔が見えるはずである. C D 例 1, 例 2 のように, 「ある光線の進路があるとき, そのスタートとゴール を逆にして, 逆向きにたどるような光線も可能である」ことを, 光線の逆 進性という. 光の直進, 反射, 屈折は, いずれも, 光線の逆進性を持つので, 直進, 反射, 屈折をどのように組み合わせた形の光線でも, 逆進性をもつことになる. 前ページの (3) の虹のようなときは光線の束なので, 光の逆進をきちんと 実現するには虹の光源を作らなければならないので, やめておく. しかし, もっとおおまかに考えると, 虹があるあたりに, 光源を置くと, およそ逆 向きの光線が進むので, 元の光源があったあたりに虹ができるはずだ, と わかる. これは簡単に確かめられる. たとえば, カメラは, 外からの光を入れて記録する機械として使われるが, 光線の逆進性から, 内側に光源を入れると, 外に光が出て行くはずである. これでどんなことができるだろうか? 授業で見せた万華鏡のピンホールふたつきは, ピンホールカメラについて, 光を内から外へ出す使いかたをしていたわけである. ピンホール式プラネ タリウムというのがあり, 箱に星空の配置の穴を開けて内側に強力光源を 入れて, 外に星空を映し出す. 他にも, どんな可能性があるだろろうか ? 3