光の屈折

質問

理科の時間からずっと分からないのですが、何故光は屈折するんですか。

物質によって速度が違うとか、波面が一致しないといけないとか断片的な事は聞いた事がありますが、余計謎です。

誰か光学に詳しい方、馬鹿でも分かるように教えて下さい。お願いします。

回答No.5

vsl2000

大勢の人が縦に４列になって前進している状況を思い描いてください。
　全員の歩調、つまり歩く速さが同じであれば列は曲がらずに進んでいきますよね？
　もしそこで、左側の２列の人達が右側の２列の人達よりもゆっくり歩くようになったら列の向きはどうなりますか？
　列は左に向かって曲がり始めますよね？
　質問者さんは、体育祭などでの行進のときに、列を左に向きを変えるときには、
左側の人が足踏みをして速さを落とす、という経験をしたことはありませんか？
　光の屈折もこれと同じように考えてみてはどうでしょうか。
　空気中をそろって進んできた光が水面に斜めにさしかかったときのことを考えてみてください。
　水中では光が進む速さが空中よりも遅くなりますから、
斜めに水面に差し掛かった光の列の端の最初に水中に入った光は、
まだ空中にある光よりも遅く進むようになります。
　ということは、光の列の進行方向が最初に水中に入ったほうを内側にして曲がることになります。

回答No.4

debukuro

感覚的に理解してもらうモデルを用意しました
その前に次もことを理解しておいてください
１，光は横波でありある程度の幅がある
２，光の媒質（光を伝える物質）は真空であり完全な真空中で最も早く真空以外の物質中をす多割るときは遅い
それも物質の密度が高いほど遅い

ここで幅のある光を四輪車に置き換えます
図を見てください

車を光に置き換えれば判ると思います
ちなみに
ダイヤモンドの中での光速度は真空中の６０％しかないそうでダイヤモンドによる屈折光が美しいのはそれが原因です

回答No.3

tetsumyi

振動で考えて見ましょう。
垂直に平行な振動が斜めに傾いた面に伝わったとします。
ひとつの表面の点Aと少し離れた点Bの振動を考えると少し離れた点Bは時間的遅れて振動します。
では、少し中に入った点はどんな振動をするでしょうか？
AとBから伝わって来た振動で垂直でなくて斜めに振動することになります。
光りでも同じで斜めになりますが、伝わる速度でどれだけ斜めになるかが決まります。

回答No.2

sanori

こんにちは。

何故光は屈折するんですか。

＞＞＞物質によって速度が違うとか、

そうです。それによって屈折が起こります。

＞＞＞波面が一致しないといけないとか

これでもよいのですが、速度の考え方の方が単純です。

まず、屈折率というのは、光の「遅さ」を表すものです。

媒質Ａでの光速　：　媒質Ｂでの光速　＝　１／媒質Ａの屈折率　：　１／媒質Ｂの屈折率

そして、
光というものは、時間的な最短距離、つまり、
最も時間が少なくて済む経路を進みます。　　←重要！！！

媒質Ａを陸地、媒質Ｂを海だと思ってください。
人間は、海を泳ぐより、陸地を走るほうが速いです。
つまり、
陸を屈折率が低い媒質Ａ、海を屈折率が高い媒質Ｂに当てはめます。

×の地点でおぼれている人がいます。
○の地点にいるライフガードは、いち早く助けにいかないといけません。
そこで、時間的に最短なコースがどういうものかを考えます。

陸
陸　　○←ライフガード
陸
陸
陸
陸
-----ａ----------------ｂ------ｃ-----ｄ------ｅ-----------
海
海
海
海
海　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ×←おぼれている人
海

ａ：　とりあえず岸に対して直角に走り、そこから×に向かってまっすぐ泳ぐ。（走る距離を最短にする）
ｂ：　×に向かって、とにかくまっすぐ走り、とにかくまっすぐ泳ぐ。（合計距離を最短にする）
ｄ：　とりあえず、ｘから岸に落とした垂線と岸との交点まで走り、そこから岸と垂直に×に向かって泳ぐ。（泳ぐ距離を最短にする）
ｅ：　ｄより向こうの岸まで走り、そこから×に向かって泳ぐ。（明らかに遠回り）

ａとｅは、明らかに、時間的に遠回りであることは、おわかりでしょう。
ｂは、屈折しないことを意味しますから、候補から外れますね。
そして、ｄが時間的に若干遠回りであることも、直感的におわかりでしょう。

正解（時間的な最短距離）は、ｂとｄの間の中途半端な場所である点ｃを通る経路です。

つまり、
屈折率が小さい媒質Ａ（陸）から屈折率が大きい媒質Ｂ（海）に光が入射するとき、
法線寄りに傾いた屈折をします。
そして、
逆に、×地点から○地点に向かう時間的最短ルートも同じですから、
屈折率が大きい媒質Ｂ（海）から屈折率が小さい媒質Ａ（陸）に光が入射するとき、
法線の角度から遠ざかる屈折をします。

というわけで、
光が最短時間の経路を「好む」性質がある、というところがポイントでした。

以下、蛇足。

今度は、時間的最短距離を通る理由は何か、という疑問が湧くと思います。
これは、量子力学の「ファインマンの経路和」で説明されます。
さわりだけ言うと、
光には本来、直進するという性質はないと考え、直進、ぐにゃぐにゃ、１回転、・・・等々の
あらゆる経路を通ってきたときの位相をベクトルの足し算として考え、
結果としてベクトルの和にもっとも寄与する成分は直進経路あるいは直進に近い経路だけであり、
ほかの遠回りの経路の成分はプラスとマイナスで相殺するということです。
そして、本来、直進するという性質はないので、直進経路が妨げられているときは「回折」するというわけです。

以上、ご参考になりましたら幸いです。

回答No.1

FUJITUU

専門的に説明するのは、非常に難解な説明になりますので、イメージ的な話でいいますと。

手にまっすぐな木の棒を持ちます。（木の棒は光の進路と見てください）
棒の先端からプールなどの水面にななめに差しこんでみましょう。
きっと差しこんだ棒の先端は、差しこんだ方向よりも水面によって行くと思います。
光についても同じようなイメージかな。

光の進路は、（音も）伝わる媒体の密度が変わるとそのまままっすぐに進めないたとえでした。