新入社員の独り言 STEP1:光の性質

このページの内容
  1. レンズってなに?
  2. 屈折ってなに?
  3. 光ってなに?
  4. スネルの法則

1.レンズってなに?

それは、一般に透明な材質(ガラスまたはプラスチック、など)で出来ていて、自身の内部を光が通ることによって、光の進行方向が変わります。あるいは、意図的に光の進行方向を変える性質を与えられた透明(例外あり)な材質。(反射は除く) 大別すると、次の2種類があります。

凸レンズ

広がり行く光を1点に集める性質があります。また、この光の集合する点を「焦点」と言います。
普通「レンズ」と言うとこの凸レンズを指します。虫眼鏡などがその典型例です。

凸レンズ

凹レンズ

凸レンズとは逆で、光を発散させる性質があります。近視矯正用の眼鏡はこの典型例です。

凹レンズ

光学設計の世界では、

レンズ1枚=>レンズエレメント(レンズそのもの、メガネ...)
レンズ数枚から構成され、光に作用するもの=>光学系(カメラレンズ、望遠鏡...)

図1
図2

2.屈折って何?

1でレンズは光の進行方向を変える、と言うことを学びました。では、詳しく観察してみると、レンズのどの部分で光が曲げられているのでしょうか?
答えは、レンズの表面です。
もっといえば、光が異なる材質(媒質、空間)を進むとき、その界面で進行方向が変わります。
例外はありますが、レンズとは、その表面で光の進行方向を変える性質を持ちます。
既に気づいているかもしれませんが、1枚のレンズによって、光は2回曲がります。1回目は光がレンズに入って行く時で、2回目は、レンズから出て行く時です。

屈折

そして、このレンズの表面で「光の進行方向が変わる現象」を「屈折」と呼びます。

この、「光の進行方向が変わる現象」は、レンズだけに与えられた性質ではありません。私たちの身近に存在する水や透明なプラスチックでも同じ現象が起こります。これは、光がある媒質から、異なる媒質へ進むとき、その界面で屈折が起こる、と言い換えることができます。

しかし、それぞれの媒質(物質)によって、光の曲がり方は異なります。この光の曲がり方を特徴付ける物理定数として、「屈折率n」が定義されます。

つまり、「屈折」と言う現象を一言でまとめると次のように言えるのではないでしょうか。

屈折とは、「2つの媒質の境界面で光の進行方向が変わる現象」です。

各材料によって、光の曲がり方は異なり、それぞれ固有の屈折率nを与えることができます。

3.光って何?

この質問はとても難しいです。私たちが眼にしているモノや風景は、光を通して、私たち自身が感じて(眼=>視神経=>脳=>画像化)いますが、実際、のところ、その「眼に見えているモノ、風景」を伝えてくれる「光そのもの」は見ることができません。たぶん...。

しかし、昔の偉人が行った実験から、次の性質を持つことが分かっています。
  • 真空中を速度(ほぼ)3×108m/sで進む。
  • 光の粒子1個単位として、あるまとまったエネルギーを持つ。
ただし、その発生源によって、エネルギーは異なる。
  • 波としての性質を持つ(干渉、回折を起こす)。
この3つをまとめると、光とは、「3×108m/sで進む粒子且つ波」と言うことになります。ん〜、非常に分かりにくいです(汗)。どっちかにして頂けませんかね...。
ですから、光のとある現象を説明する場合、粒子か波のどちらか都合の良い方を使うようです。

光、それ自身は直接観ることはできませんが、その性質に起因する現象を観察することによって光の存在を感じることができます。

4.スネルの法則

屈折に関する法則です。2で「屈折率n」を勉強しましたが、この「屈折率n」と光の進行方向(角度)とを結びつける重要な法則です。文字で説明するよりも絵を見たほうが早くて分かりやすいので、下図をご覧下さい。

スネルの法則図解

「屈折率n1」の材質から「屈折率n2」の材質へと光が進む場合、その界面への入射角θ1と射出角θ2との間に以下の関係が成り立ち、これを「スネルの法則」とよびます。

n1・sinθ1=n2・sinθ2

今回のまとめ

  • レンズとは、光の進行方向を変える性質を与えられたもので、主に透明な材質で出来ている。
  • 屈折とは、光の進行方向が変わる現象で、異なる媒質の界面で起こる。
  • 光とは、粒子かつ波の性質を持ち真空中を3×108m/sで進む。
  • スネルの法則とは、媒質の界面での光の入射角と射出角と、屈折率とを結ぶ重要な法則。

先輩社員からの一言

三角プリズム
三角プリズム
光の進行方向を変える透明な部材としては、他に、「プリズム」もあります。レンズとの違いはどこにあるのでしょうか?調べてみて下さい。そして、プリズムの性質を理解して以下の問題にトライしてみてください。

問題
ここに、
  • 三角プリズム
  • 鉛筆
  • 虫ピン4本
  • コンパス(方位磁石ではなく両脚器の方)
  • 三角定規
があります。このプリズムの材質の、おおよその屈折率(分散は無視する)を求めるには、どうしたら良いでしょうか?(某国の高校卒業試験を少しアレンジしました) いかがでしたか?
先輩社員への回答は、次回(STEP 2)に掲載いたします。

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