光の屈折がわかりません。

質問

中学理科の光の屈折がどうしても理解できません。なぜコップに入れた１０円玉が浮かんで見えるのでしょうか。参考書を読んでも「そうなるもんなんだ。そう暗記するしかない。」ぐらいにしか書いてありません。光が水の中の１０円玉に反射して屈折するから浮かんで見えると言われても意味がわかりません。ようするに人間の目の錯覚のようなものということでしょうか？教えてください。

回答No.7

Hikaru99 · ベストアンサー

こんなモデルを考えてみましょう。

丸い棒がころころと転がりながら舗装道路から砂地に斜めに入っていきます。舗装道路を走っているうちは、Ａの速度もＢの速度も同じです。すなわち棒が斜めにまっすぐに進みます。ところが、砂地に入ると速度がおちます。Ａ側の方が先に砂地に入りますので、Ａの方が最初に速度が落ちます。そのときＢはまだ舗装道路ですからスピードは落ちていません。Ａ側よりＢ側がスピードが速いのですから、棒は砂地に入ったあと、左方向に曲がりながら砂地に入っていくことになります。Ｂが舗装道路と砂地の境界までやってきたときに、Ａがどこにいるか考えてみましょう。Ａは砂地に入ると速度が落ちているわけですから、同じ時間の間に進む距離はＢより小さいはずです。

戦車のプラモデルをモータで動かしたことありますか？左のキャタピラの回転速度が右より速いと、戦車は右側に曲がります。そんなことが起こっているのです。

こんなことが起こるのは光が波の性質をもっているからなのですが、中学校では少し難しいです。高校の物理で波について勉強するとわかるようになります。今は上で説明したぐらいの理解でＯＫと思います。

　　　　　Ｂ　　　　舗装道路
　　　　／＼
　　　／　　＼
　　／　　　　＼
　／　　　　　　＼
Ａ＼　　　　　　　＼
　　＼　　　　　　　＼　
─────────────　

　　　　　　　　　　砂地

回答No.6

honyahonya

光がなぜ曲がるのかはさておいて、もしも光が曲がったら、もしも途中で曲がった光があなたの目に届いたら、あなたにはどう見えるでしょうか。
人間は普段は直線で入ってくる光を見て、そこにモノがあると判断すると思います。だから光が途中で曲がろうがお構いなしに、光が届いているまっすぐ先にモノがあるように見えるはずです。このことは錯覚といって良いかもしれません。

次に、光がまっすぐ届く、とはどういうことでしょうか。光が波の性質を持っているのはご存知でしょうか。光では実感できないので水たまりで考えてみます。
水たまりに一滴落とすと、波が円になって広がっていくと思います。なにが円として見えているのかというと、波ですので、ちょっと波が高くなっている部分ですよね。ちょっと波が高くなった部分が円になって広がっている、つまりその部分だけが目立つわけです。じゃぁ横一列に水滴を落としてみるとどうなるでしょうか。雨が降った後にでも実験してみればって言うと時間がかかるので(笑)結局のところ横一列に広がっていきます。
円でも横一列でも、波はまっすぐ進んでいるという印象を受けると思います。それはどの波も同じ速さで動いて、距離も時間ごとに比例するからです。どの波も同じ速さ、というのがキーになります。たとえば、水滴の作る波が楕円だったらどうでしょうか、上下と左右では波の広がる速さが違います。こんな水たまりに出会うことはだれかが作らない限りないと思いますけどね(笑)
波の速さが何で決まるかというのは、波が起きている場所にある物質によるというのが原因の1つです。楕円の波では上下と左右で違う水（？）なのかも。
物質によって速さが違う理由は、本題と遠くなってしまうので具体例だけ...
物質に限らず物体にはそれぞれ、一定時間内に振動する回数というものが違ってきます。地面に打ち付けると跳ね返るタイミングはバスケットボール、サッカーボール、卓球のピン球...それぞれ違います。ボール以外だと楽器の弦なんかもそうです。(間違っても、楽器を地面に打ち付けて跳ね返るタイミングを調べようとしてはいけません)いろいろあります。
そしてこのことは光についてもいえます。結果的に曲がってるわけですから空気と水とでは進む速さが違うのでしょう。

最後に、なぜ進む速さが途中で変わると光は曲がってしまうのでしょうか。
さすがにこれには紙とペンがないと説明しづらいです。あと、1円玉が3枚くらいあると便利かも。
まず真横に1本線を引きます。これが水面です。上は空気で下が水です。それと、右下から左上にかけて、2cmくらい幅をあけて3本斜めの線を入れてください。コップの中の10円だまから反射された光が目に届くわけですから、光は右下から左上の方向です。
3本線に垂直に、水中の下のほうに1円玉を並べてください。これは光の波の一部です。水中の中だけなら進む速さは同じなので、水面に達するまでは3本線に垂直だと思います。
次に水面に到達したら、次の約束で動かしてください。水中よりも空気中のほうが1円玉は早く動く。1枚だけ早くなっても、他の2枚は水中から出るまでは水中の速度。全部出たらそのまま3本線に沿って平行移動。
空気中に出るとどう1円玉は配置されてるでしょうか。おそらく3本線に垂直ではないと思います。水中と空気中で、1円玉の列と垂直な方向が光の進む方向となります。水中は3本線に垂直だからその方向に進むのに、空気に出ると別の方向を向いてしまいます。その先に目があると、人間は空気中の光の方向だけで10円玉の方向を認識してしまいます。
だから光は水中から空気中に出ると向きが変わる＝屈折するのです。
3本線は単なるレールで、実際に光が進む方向とは関係ないです。
角度によって屈折の度合いも変化するので、今回の説明ではたまたま3本線の方向に出た光が屈折したらたまたまそこに人間の目があった。ことになります。

詳しいことは他の人の回答か、あとは高校の物理の授業で習ってください(笑)

回答No.5

kussetsu

光が水に入ると屈折します。
それはなぜかというと、水に光が入ると速度が遅くなるからです。
斜めに入った光はその光を太い直線と例えると、水面と鋭角を成す側の光が先に水面に到達し、水面と鈍角を成す側の光が後で到達します。先に到達した光は水面に入っているので遅くなります。しかし反対側の後で到達した光はまだ水には入ってないのでそのままの速度です。光の幅の両端に速度の差がでると結果として光は曲がってしまいます。
例えば小学校でやったであろう、運動会の種目の台風の目を思い浮かべてください。
ポールを回る時、外側の人ほど速く走らないといけませんよね。これはそとにいけばいくほど走る距離が長くなるためです。
それと同じような現象が、光が水面に突入したときに起こって、ここでは外側の光が速くなるために曲がるというわけです。

水面から空気中にでるときは逆の側が速くなり逆の方向に曲がります。

回答No.4

co-3626

No.２です。
実験で実際に見たことありますか？浮かんで見えますかねぇ？
実は、僕には浮かんでいるようには見えませんでした…。なぜ教科書で「浮かんで見える」と表現するのか分かりません。

この場合、浮かんで見えると言うより、実際の１０円玉の位置とは違う場所に１０円玉が見えているのです。だから１０円玉に向けて指をまっすぐ伸ばしてみても１０円玉に触れることはできないでしょうね。
よく、教科書にコップと１０円玉と目の位置が描かれた図あるでしょう。目の位置からまっすぐ水面に向かって線が伸び、水面で１０円のある方向に、曲がっていると思います。人間の目には、この線を水面で曲げずにそのまま延長した位置に１０円玉が見えます。
それを「浮いて見える」と表現しているのでしょうね。

回答No.3

sumochin

takajinnさんは中学生かな？だとしたら、光とはなんぞや？から話をはじめた方がいいのかな？
　「光」とは電磁波です（これまたなんぞや？）。携帯やテレビ・ラジオの電波や電子レンジのマイクロ波、レントゲン写真で使うＸ線も電磁波です。この電磁波は通る場所によって速度が変わります（高校か、大学になったら誘電率とか透磁率と言う言葉を習いますが、これが光の速さを決めています）。これが屈折の元になります。
　詳しくは参考URLを見ていただいた方がいいかな？絵が描けないとうまく説明できません。

参考URL：

http://www12.plala.or.jp/ksp/wave/snell/

回答No.2

co-3626

人間がモノを見ることができるのは、目の中に光が入ってくるからです。まず、そのことを覚えといてください。

わかりやすく言うと…、１０円玉が見えるのは、１０円玉から発せられた（反射した）光が人間の目ン玉に入ってくるからです。

１０円玉から出た光は水が入っていないとき、コップにさえぎられて人間の目に届きません。
しかし、水が入っていると…１０円玉から出た光は水面で曲がり（屈折）、コップのフチにさえぎられることなく、目に入ってきます。

錯覚といえば錯覚ですが、イメージ的には錯覚とはちょっと違うかもしれません。
分からなかったら補足をどうぞ。

補足

ありがとうございます。１０円玉が見える理屈は理解できましたが、なぜ１０円玉が浮かんで見えるのかがイマイチ理解できません。

回答No.1

namachiro

http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/hikari.html
http://www1.vecceed.ne.jp/~pisces-h/science/physics/light/light-index.htm
この２つを見れば大体分かる。

お礼

ありがとうございます。参考させていただきます。