光の屈折とは何ですか？なぜ光は水に入ると下向きに曲がり、水中の箸は上向きに曲がるのでしょうか?

多くの人がこの疑問を抱いています。物理学の本の説明では、光が水に入ると法線方向に屈折しますが、人間の目で見た水中の箸は上方向に屈折します。これは光の屈折の原理に一致していますか?

この問題を理解するには、まず光の屈折とは何かを理解する必要があります。

いわゆる光の屈折とは、光が一つの媒体から別の媒体に斜めに入射すると伝播方向が変わり、異なる媒体の接合部で光が屈折する現象を指します。この現象は光の屈折です。

光が物体に作用すると、屈折と反射が起こります。さまざまな物体の密度や画像が異なるため、光の屈折と反射によってさまざまな角度や変化が生じます。人間の目がさまざまな物体を見ることができるのはこの原理によるものです。

さらに、可視光は、赤、オレンジ、黄、緑、シアン、青、紫の 7 つの色で構成される複合光です。色によって波長が異なります。赤から紫まで、波長範囲は約780nmから380nmの間です。赤は波長が最も長く、紫は波長が最も短いです。さまざまな物体が異なる波長の光を吸収すると、吸収率と反射率が異なるため、人間はさまざまな物体の異なる色を認識します。この原則はこの記事の範囲を超えているため、今日は詳細には触れません。

光の屈折率は伝播媒体内の光の速度と関係があります。

異なる媒体における光の伝播速度は異なります。真空中で最も速く、正確な値は 299,792,458 m/s です。 2番目に速いのは空気中で、約299,552,816 m/sです。どちらの速度も毎秒 30 万キロメートルに近いため、一般的に真空中の光の速度と空気中の光の速度は毎秒 30 万キロメートルと呼ばれます。

氷の中の光の速度は秒速 230,000 キロメートル、水中では秒速 225,000 キロメートル、アルコール中では秒速 220,000 キロメートル、ガラス中では秒速 200,000 キロメートルです。異なる媒体における光の屈折率は異なり、光の速度に反比例するという法則に従います。つまり、媒体中の光の速度が速いほど屈折率は小さくなり、媒体中の光の速度が遅いほど屈折率は大きくなります。

屈折率の計算式は、n=c/v です。ここで、n は屈折率、c は真空中の光の速度、v は媒体中の光の速度です。例えば、この式によれば、水中の光の屈折率はn=30/22.5≈1.33となる。

光の屈折率は「標準」基準に基づいて測定されます。 「法線」とは何ですか?これは、光が真空または空気から特定の媒体に入るときに、媒体の平面に対して垂直になる仮想の線分です (上の図を参照)。光が水に入り、水中に箸が見える場合、媒体は水なのに、なぜ屈折率が異なって見えるのでしょうか?

水に入る光の方向は、私たちが目にする水中の箸の光の伝播方向とは逆であることがわかります。

光が水に入ると、空気から水に入り、そこで速度が遅くなり、法線（水面に対して垂直な軸）に向かって屈折します。法線との角度が小さくなるため、「下向きに曲がった」ように見えます。

水中に見える箸は、箸からの反射光が水から私たちの目に伝わったものです。光は比較的遅い媒体から速い媒体へと伝播するため、水に入る光とは反対方向に進みます。このようにして、屈折は法線から離れ、角度が大きくなります。こうすることで、私たちが見ている箸は「上向きに曲がる」ことになります。

分かりましたか？結局、私たちは間違った方向に進んでいたことが判明しました。光が水に入るときと、水中の箸を見るときでは、光の伝播方向が正反対なので、屈折方向も正反対になります。

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