水中で物が見づらいのはなぜ？

質問

物を水中におくと、大気中に比べて見づらくなるのはなぜですか？

顕微鏡の場合、横方向の分解能γはレイリーの定理より
　　γ = 0.61λ/nsinφ
だそうです。nは屈折率で、大気中ではn=1、水中ではn=1.33なので、
単純計算では水中でのγの方が値が小さい（つまりより短い距離も見分けられる）ことになります。
しかし、実際物を水中において顕微鏡観察をすると、
あるいは顕微鏡を使わず普通に目視した場合でも、
水に入れず大気中で見たときより見づらい印象があります。
こうなる原因として、水がゆらいで光があちこちに反射してしまうからかなと思うのですが、よく分かりません。
理由が分かる方は教えていただけると幸いです。

回答No.1

chie65536 · ベストアンサー

＞nは屈折率で、大気中ではn=1、水中ではn=1.33なので
「大気中と水中では、屈折率が異なる」ってのは理解出来てる訳ですね。

＞水に入れず大気中で見たときより見づらい印象があります。

「屈折率が異なる媒質の境界では、屈折が起きる」ってのは理解出来てますか？

＞こうなる原因として、水がゆらいで光があちこちに反射してしまうからかなと思うのですが、よく分かりません。
「水がゆらぐ」とは「大気と水の境界がゆらぐ」って事です。それは「屈折率が異なる媒質同士の境界がゆらぐ」って事であり「境界がゆらげば、屈折もゆらぐ」ので、結果として「物体がゆらいで見える」のです。

＞単純計算では水中でのγの方が値が小さい（つまりより短い距離も見分けられる）ことになります。
これは「屈折が発生しない」と言う前提があって成り立ちます。

「屈折が発生しない」とは「物体から観察点までの間で、媒質の屈折率が変化しない」って意味であり、つまり「物体から観察点までの間に（温度、密度などが一定な）大気しか存在しない」か「物体から観察点までの間に（温度、密度などが一定な）水しか存在しない」って場合です。

簡単に言えば「大気中にある物質を大気中から観察する場合」か「水中にある物質を水中から観察する場合」です。

質問者さんは「水中にある物質を大気中から観察する場合」を想定して「見づらい」と言っている訳で、これは「屈折現象」を抜きには論じる事ができません。

言い換えれば「個々の媒質の屈折率のみを論じても意味がなく、屈折率が異なる媒質の境界（境界そのものが存在してるかどうかも含めて）がどうなっているかを論じる必要」があります。

なお、蛇足ですが「透明なガラスのコップが目に見える」のは「ガラスと大気の屈折率が異なるから」であって（言い換えれば、屈折現象がコップとして見えている）このコップを「ガラスと屈折率が同一の液体」に沈めると、コップと液体の境界で屈折現象が起きない為に「コップが見えなくなる」と言う現象が起きます。

お礼

早速の回答有難うございました。
水と大気の間で屈折率が変わることを忘れていました。
考え直すヒントをいただきためになりました。

回答No.2

Hikaru99

人間の眼は、光を角膜で大きく屈折し、さらに水晶体で光の屈折の度合を調製することで網膜に像をうまく結ぶことができます。水中に入ると、水と角膜・水晶体の屈折率がほとんど変わらないので、水中と眼の境界である角膜での屈折がなくなります。水晶体だけでは、網膜にうまく像を結ぶことができるほど光を屈折させることができません。つまり、像が網膜のずいぶん後側で結ぶような感じで光が眼の中を進みます。これは遠視と同じ状態です。

魚類やイルカなどの水晶体は球体になっています。球体だと屈折力が大きいので水中でも、網膜に像を結べるのです。

お礼

とても興味深い回答有り難うございました。
私は水の中にあるものを大気中から見ているのでまた話は違うのかもしれませんが、
全く考えもしなかった視点から面白いお話をしていただき参考になりました。