光線が池を出るときや眼鏡を通過するときなど、ある媒体から別の媒体に光線が通過するときに、光線が曲がることに気付いたかもしれません。 これは屈折と呼ばれ、入射光と材料に応じてさまざまな角度で発生します。 それはまた、目が画像を見て脳に伝達する方法でもあります。
光の屈折
屈折とは、光線が1つの媒体から別の媒体に通過するときに光線が曲がることです。 これは、光がさまざまなメディアをわずかに異なる速度で移動するという事実に起因しています。 光線がどれだけ屈折するかは、2番目の媒体と最初の媒体での速度の違いによって異なります。 速度の差が大きいほど、屈折角が大きくなります。
これは、最小時間の原理を使用して考えることができます。 ライフガードが、可能な限り短い時間で、岸をはるかに下って水中にいるスイマーに到達しようとしていると想像してみてください。 彼女は泳ぐよりもずっと速く走れることを知っています。 直線で移動してスイマーに到達しようとすると、ランニング速度に比べて水泳速度が遅いため、非効率的です。 代わりに、彼女はほぼスイマーの前に来るまでビーチを駆け下り、それから水に飛び込みます。
彼女の移動距離は長くなりますが、媒体ごとに速度が異なるため、移動時間は短くなります。 これは、光が屈折したときに行うことです。
波は浅瀬にあるか深海にあるかに応じて異なる速度で伝わるため、水波は異なる深さの領域間を移動するときにも屈折する可能性があります。
屈折率
特定の媒体の屈折率は無次元数ですnどこn = c / v、 どこcは真空中の光速であり、vは媒体中の光速です。 光が媒体内を移動する速度が遅いほど、その媒体の屈折率は高くなります。 媒体内の光波の速度はその波長に依存するため、屈折率も依存します。
これはと呼ばれる現象につながります分散、光プリズムで見ることができる：多くの異なる光波を含む白色光の場合 波長、プリズムに入る、各成分の光波はそのに応じて異なる角度で屈折します 波長。 これにより、虹の外観が作成されます。
空気中の屈折率は、圧力や温度などの多くの要因に依存します。 夏に舗装などの高温の物体から発せられる「波」は、光が高温の空気と低温の空気で異なる方法で屈折し、画像が歪むために発生します。
さらに、夏の暑い道路の近くの空気は、実際に観察者に向かってくる光を反射する可能性があります 浅い角度で、鏡や反射する水面があるように見せます 道路。
スネルの法則
スネルの法則は、2つの媒体の屈折率、および入射角に関連しています。θ私屈折角にθr、ある媒体から別の媒体に光が通過するときに光がどのように曲がるか。
n_i \ sin（\ theta_i）= n_r \ sin（\ theta_r）
この方程式は、両方の媒体の屈折率と入射角がわかっている場合、特定の媒体で光が屈折する角度を予測できます。 これは、任意の2つの媒体を使用して、光の屈折を伴うすべての状況に当てはまります。
全反射
光波が高い屈折率の媒体から低い屈折率の媒体に通過する場合、 臨界角があり、それを超えると光が十分に曲がって、他の媒体に光が移動しなくなります。 これは全反射と呼ばれます。
臨界角は、入射光線が90度の屈折角を持つ入射角です。 そう
\ theta_i = \ sin ^ {-1} \ frac {n_i} {n_r}
臨界角を超える角度では、すべての光が全反射します。
全反射は、特定の角度から、水槽内の水/空気の表面を下から見たときに完全な鏡のように見える理由を説明しています。 空気は水よりも屈折率がはるかに低いため、光の波は水に対して浅い角度になります。 下からの表面は、表面を屈折するのではなく、表面で反射し、 鏡。
全反射は、水波や音波でも発生する可能性があります。
レンズ
媒体間の光の屈折は、媒体間の表面が湾曲している場合に変化する可能性があります。 実際、同じ方向から来る光は、曲面のどこに当たるかによって、異なる角度で屈折します。
レンズは、屈折を使用して光の経路に影響を与える湾曲した側面を持つ透明な素材です。 収束レンズは中央が厚く、レンズの片側から入ってくる光線が反対側の焦点に収束することを可能にします。 これは、虫眼鏡や一部の望遠鏡が使用するものです。
凹レンズは中央が端よりも薄く、片側から入ってくる光線は外側に屈折して広がり、反対側に出てきます。
両方の種類のレンズは、目の問題が何であるかに応じて、眼鏡であろうとコンタクトであろうと、矯正視力で使用されます。
例
私たちの目は屈折を使って光を解釈します。 光は角膜、次にレンズに入り、網膜の正確な点に屈折します。 その後、画像は視神経を介して脳に伝達されます。 涙目は、涙の屈折特性のためにかすみ目となります。
光ファイバを含むものはすべて、全反射に依存しています。 繊維は高い屈折率を持ち、非常に低い屈折率の材料に囲まれています。 光がファイバーを通過するとき、ファイバーの外側との角度は、ファイバーが逃げるのを防ぐのに十分なほど低くなります。 これにより、ファイバーは非常に集束した光を長距離運ぶことができます。 光ファイバーは、主にインターネットおよび電話サービスで使用されます。
虹は、空気中の水滴からの太陽光の屈折と反射によって引き起こされます。 これは、暴風雨の後や霧の状態で発生する可能性がありますが、滝や噴水の近くでも発生する可能性があります。 前述のように、光の波長（色）が異なれば、特定の材料の屈折率もわずかに異なるため、さまざまな角度で屈折します。 次に、観察者は波長の順に色の虹を見る。
屈折は、池の水が実際よりも浅く見える理由です。 空気中の光が水に入るとすぐに、屈折のために表面に対して浅い角度で曲がります。 表面の「空気」側の観察者には、光が浅い角度で曲げられているため、表面の下のすべてが浅いように見えます。
臨界角は、宝石のカット方法にも影響します。 宝石は、そこに入る光が後面に当たると全反射し、石の前面から再び出て明るく見えるようにカットすることができます。 屈折率の高いダイヤモンドは特に理想的で、人気のある宝石になっています。