光の屈折 ~ 光はなぜ曲がるの?光の入場行進

into water last

「光」「屈折」「速度」「遅くなる」

光の速さは変わる!

さっちゃん
えーっ!光の速さは一定じゃないの?
ひげおじさん
それは真空中にかぎりじゃ!

水の中ではスピードが落ちる!

photon in vacuus 真空中の光 photon in air 空気中の光 photon in water 水の中の光

真空

真空では何もないので、光は楽に進めます。
その速さは約30万km/秒です。

1秒で30万キロです。
とてつもなく速いですね。

さっちゃん
「みつこ」ちゃん速い!
ひげおじさん
「こうし」ちゃんじゃな💦

空気の中

空気中には、水蒸気や窒素、酸素などがありますが、すき間だらけなので真空中とほとんど変わりません。
ほんの少しだけ遅くなりますがやはり約30万km/秒です。

水の中

水の中は「水の分子」くんたちがひしめき合っているので、光は通りにくくなります。

約22.5万km/秒までスピードが落ちます。
真空中の75%です。
それでもメチャクチャ速いけど。

気体と液体の体積はどれくらいちがうの?

気温が20℃で、液体の水が蒸発して水蒸気になると1300倍くらいにふくらみます。
言いかえると、水の中は空気中より1300倍混雑してるということです。

人間にたとえると、気体なら体育館に1人だけど、液体になると1300人押しこめられてるような感じです。

さすがに光も通りにくくなります。

1700倍という数字がよく見られますが、それは沸騰させて100℃になったときの数字です。

じつは氷点下でも水蒸気は存在します。

屈折は運動会の入場行進!

運動会で校庭のトラックを回るとき、いちばん内側の人はその場で足踏み、外側の人は速く歩かなければなりません。

光子ちゃんが水にはいるとき、さいしょに水にはいった光子ちゃんはスピードダウンするけど、その外側の光子ちゃんたちはそのまま進もうとするので内側に曲がっていきます。

光子ちゃんの列が水にむかってやってきました

before water

空気の中は30万km/秒です。

両側の線は光子ちゃんの列がわかりやすいようにつけたものです。

先頭の光子ちゃん、水にはまる!

into water drop1

第1のコース

むかって右側の光子ちゃんが水にドボンとはいりました。
スピードが30万km/秒から22.5万km/秒に落ちます。

2番めの光子ちゃんが水にはまる!

into water drop2

つづけて第2コースの光子ちゃんが水にはいりました。
スピードが落ちます。

3番めの光子ちゃんが水にはまる!

into water drop3

1、2につづいて第3コースの光子ちゃんも水にはいります。
後ろでは第1コースの2列めの光子ちゃんも水にはいってます。

4番めの光子ちゃんが水にはまる!

into water drop4

いちばん外側の第4コースの光子ちゃんも水にはいりました。

後ろの光子ちゃんが「早く行けよ」などといっておりますが、水の分子くんたちが大勢いるので思うように進めません。

水の分子くんまで書くと訳がわからなくなるので書きませんでしたが、水の中には大勢いると思ってください。
 (ほんとは書くのが大変だったので💦) 

水にはいった光はおなじスピードで進みはじめる

into water last   

水にはいるときは、1人ずつ時間差ではいっていくので曲がってしまいますが、横1列そろって水の中にはいると、またまっすぐ進みはじめます。

スピードは落ちたけど全員22.5万km/秒で足並みそろえて。

水から出るときは逆のことが起こる

この絵を下から上に見ればいいです。

外側の光子ちゃんが先に水の外に出て加速して前に出るのでやはり曲がります。

屈折するのは水だけではない

光が通らなければならないので、透明であることが絶対条件です。

そして、中が混んでいれば混んでいるほど、強いブレーキがかかるので、より大きく曲がります。
密度が大きいほど大きく曲がります。

屈折率

屈折する度合いを屈折率といいます。
屈折率が大きいほど、大きく曲がります。

光の速さを物質中の速さで割ったのが屈折率です。

水の場合

30万/22.5万≒1.3

なので屈折率は1.3です。

ほかの物質

水、油はもちろん、メガネや虫眼鏡につかうガラス。
サファイア、ダイヤモンドになるともっと屈折率が大きくなりますが、値段も高くなります。

さっちゃん
わたしダイヤモンドのメガネがほしいわ💎
ひげおじさん
アラブの富豪でも見つけるんじゃな!

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