反射と屈折
ソース:デレク ・ ウィルソン、 Asantha Cooray、PhD、物理教室 & 天文学、物理的な科学の学校、カリフォルニア大学、アーバイン、カリフォルニア州
光は伝達、素材に応じて異なる速度で進みます。光は 1 つの材料から移動、減速するか、または、スピードアップします。エネルギーと運動量、光…
スネルの法則 (屈折法) を用いた水の屈折指数を決定して全反射の臨界角を見つけます。
- 光源を持つ特殊な屈折タンクを入手します。
- 水と屈折タンクを記入し、光源をオンにします。光源からビームを直接水で満たされたタンクの半分に。部屋の照明を暗く必要があります。
- タンク内水空気インターフェイスのビームの入射角 (水で満たされたタンクの半分で計測された角度) と屈折の角度 (角度の空気で満たされたタンクの半分に測定値) を測定するのに屈折のタンクに分度器を使用します。
- 空気の測定角度と屈折のインデックスを使用して (n空気= 1.00) 水の屈折指数を計算します。
- 単に 0 ° から様々 ないくつかの入射角度の前の手順を繰り返して 90 ° 未満。
- 入射角が増加すると、1 つは屈折光線もはや空気の入ったコンテナーの半分に見られることがわかります。光ビームはまず空気から消えるポイントに到達するまでゆっくりとタンクについて光源を回転します。これは内部全反射の臨界角です。
- 光源をさらに回転すると、ビームが水に反映している必要があります見られなくなります。
- 最初水に旅行前に空気で満たされたタンクの半分に入るビーム光源を移動します。いくつかの入射角と屈折この条件下で記録します。なお、以前は入射角、角度で光が水を通って旅します。光は空気を通って今のでまず、新しい入射角が空気を通過するときに角度と新しい屈折の角度は、水を通過する角度。
- この構成では、全内部反射が発生しないことを確認します。総内面反射は、ライトが高屈折率によって媒体からより低い屈折率によって媒体へ行くときにのみ発生します。
2 レンズの焦点距離を測定し、現実とオブジェクトの仮想イメージを作成します。
- 凸レンズ、凹レンズ、ホワイト ペーパーのシート、定規と特徴的な小物を取得します。紙のシートを垂直に保持するために、レンズ オブジェクトと装置のホルダーと光学ベンチを持っていることができます。
- すべての行と同じ高さでは、オブジェクトと一枚の紙、凸レンズを配置します。
- オブジェクトの移動、オブジェクトのシャープな画像まで周りの紙が紙の上表示されます。紙のイメージ実際のイメージです。
- 被写体にレンズからの距離と紙にレンズからの距離を測定します。薄いレンズの同等化を使用して、レンズの焦点距離を決定します。
- 脇紙、レンズとオブジェクト間の距離がレンズの焦点距離より小さいまでレンズに近いオブジェクトを戻します。
- レンズを通して見る: オブジェクトの拡大版を見てする必要があります。このイメージは、仮想イメージです。
- 凸レンズを凹レンズに置き換えます。凹面レンズを通して見る: demagnified バージョンのオブジェクトが表示される今。これはまた、仮想イメージです。
光は、伝搬する材料によって反射し、異なる速度と方向で移動したり、屈折したりするため、多くの興味深い光学現象を引き起こします。
光線がガラスブロックの表面に当たると、その一部が界面で方向を変えて、それが発生した媒体に戻ります。これがリフレクションです。また、残りの光は界面で方向を変え、ガラスのブロックを通って移動してエネルギーと運動量を節約します。これが屈折です。
顕微鏡などの光学系に見られるレンズは、反射と屈折を利用して、人間の目で知覚できる画像を作り出します。
ここでは、最初に反射と屈折の原理とパラメータについて説明します。次に、これらの現象を、空気と水が2つの媒体であるシステムで実証します。次に、レンズが画像を作成する方法を研究し、続いて光学の分野でのいくつかのアプリケーションについて説明します。
反射と屈折の原理とパラメータを理解するために、水と空気の2つの媒体を選びましょう。
注意すべき最初の重要なパラメータは、「屈折率」、つまり光が通過する媒体の特性である「n」です。これは、真空中の光速「c」と媒体中の光速「v」の比として定義されます。空気のnは水よりも低いため、光は空気に比べて水の中をゆっくりと移動します。
ここで、水と空気という2つの媒体が界面に沿って互いに接触していると仮定しましょう。
さて、光が水から空気に伝わり、界面に当たると、その一部は界面で反射され、残りは2つの媒体の屈折率に依存する角度で屈折または曲げられます。反射と屈折はどちらも別のパラメータにも依存します - 入射角、または?i.
これは、入射光と最初の媒体である水内の空気と水の界面の法線との間の角度です。「反射角度」は、反射光と最初の媒体である水内の同じ法線との間で測定され、入射角に等しくなります。一方、「屈折角」、または?rは、屈折した光と、2番目の媒体である空気の空気と水の界面の法線との間の角度です。
したがって、屈折角は、2つの媒体の入射角と屈折率に依存します。屈折の法則またはスネルの法則は、これらすべてのパラメーター間の関係を提供します。
さて、入射角をゆっくりと大きくすると、ある点で光は水と空気の界面に沿って現れ、屈折角は90度に等しくなります。この入射角は「臨界角」と呼ばれます。これは、最初の媒体の屈折率が2番目の媒体よりも大きい場合にのみ発生することに注意してください。
これと同じ条件下で、入射角がさらに大きくなると、光ビームは非常に鋭く屈折し、実際には光が発生した最初の媒体に完全に反射して戻されます。この現象は、全反射と呼ばれます。
反射と屈折に影響を与えるパラメーターを確認したので、これらの原理を検証する物理学ラボで実験を行う方法を見てみましょう。光線付きの特殊な屈折タンクを含む、必要な材料と機器をすべて集めます。
屈折タンクの半分を水で満たします。光線をONにし、水で満たされたタンクの半分に光線を向けます。
分度器を使用して、光ビームの入射角、または光ビームと空気と水の界面の法線との間の水中で測定された角度を測定します。また、屈折角や空気中で測定した屈折角と、光線と空気-水界面の法線との間の角度を測定
さて、入射角が大きくなると、空気-水界面に沿って光線が現れる点に到達します。この入射角は、全反射の臨界角度であるため、メモしておいてください。
次に、光源を反時計回りに回転させて、入射角を増やし続けます。屈折したビームは水に完全に反射され、全反射を示します。
その後、ビームが水中に移動する前に、最初にタンクの空気半分に入るように光源を動かします。新しい光ビーム経路に対して、さまざまな入射角に対してプロトコルを繰り返し、対応する屈折角を記録します。
次に、光の反射と屈折を利用してオブジェクトの実像と仮想像を作成するレンズについて話しましょう。凸面であろうと凹面であろうと、すべてのレンズには焦点距離「f」があり、これはレンズからの距離であり、無限遠から発生する光線がレンズを通過した後に焦点を合わせます。凸レンズの場合、f は正で、凹レンズの場合、f は負です。
レンズの前に物を置くと、像が生まれます。「Thin Lens Equation」は、焦点距離「f」、物体とレンズ間の距離「o」、レンズと画像の間の距離「i」の間の数学的な関係を提供します。
この数学的画像距離「i」は、レンズによって形成された画像が実在するか仮想であるかを教えてくれます。数学的に計算された 'i' が正の場合、形成されるイメージは実数になり、負の場合、イメージは仮想になります。
凸レンズの場合、物体距離「o」が焦点距離「f」より大きい場合、数学的に計算された画像距離「i」は正になり、実際の画像が形成されます。これは、カメラや顕微鏡で撮影された画像のように、物体から来る光線の物理的な収束によるものです。
ただし、物体距離'o'が焦点距離'f'より小さい場合、数学的に計算された画像距離'i'は負となり、虚像が形成されます。これは、光線が収束しているように見えますが、実際には物理的に発散しており、私たちの目が光線の原点を構築するためです。これは、拡大された虚像が形成される虫眼鏡の場合に観察されます。
凹レンズの場合、物体から来る光線はレンズを通過し、常に発散します。したがって、計算された「i」は常に負であり、作成される画像は常に仮想です。
このセクションでは、単純な凸レンズと凹レンズを使用して、実像と虚像の形成を検証します。凸レンズ、凹レンズ、白い紙、小さな特徴的な物体、紙を垂直に固定するためのクランプなど、必要な材料を集めます
まず、物体と紙の間に凸レンズを置きます。それらがすべて一列に並んでいて、同じ高さにあることを確認してください。
オブジェクトの鮮明な画像が用紙に表示されるまで、オブジェクトと用紙を動かします。紙に写っているこの画像は、画面上にキャプチャできるため、実際の画像です。
次に、レンズからオブジェクトまでの距離と、レンズから紙までの距離を測定します。薄いレンズの方程式を使用して、レンズの焦点距離を決定します。
次に、紙を脇に置き、レンズとオブジェクトの間の距離がレンズの焦点距離よりも短くなるまで、オブジェクトをレンズに近づけます。レンズを通して画像を観察してください。
凸レンズを凹レンズに交換します。凹レンズを通して、拡大縮小された虚像を観察します。
実験プロトコルが完成したので、得られたデータの解析方法をおさらいしましょう。最初の実験では、水と空気の界面での入射角と屈折角を測定しました。
スネルの法則を使用し、これらの角度の値を方程式に代入し、空気の屈折率とともに、水の屈折率を計算でき、1.33 になります。
この計算は、さまざまな入射角と屈折角に対して繰り返すことができます。計算されたすべての屈折率の平均は、水の屈折率のより正確な測定を提供します。
また、スネルの法則を使用して、全反射の臨界角を計算することもできます。これは、屈折角が90度に等しい場合の入射角です。この方程式を再配置して、臨界角を解きます。
スネルの法則は、以前に計算された水の屈折率の平均を使用して、臨界入射角が48.8度であると予測します。これは実験的に測定された角度に非常に近いため、スネルの法則が検証されます。
光線が空気から水に投影されると、光が低屈折率の媒体から高屈折率の媒体に移動するため、48.8度を超える角度でも全反射は発生しません。
レンズを使用した実験では、薄いレンズ方程式により、レンズからの物体距離が11.02センチメートル、像距離が約9.21センチメートルの場合、レンズの焦点距離は約5.02センチメートルであることがわかります。
物体が凸レンズを通して観察される場合、その焦点距離よりも短い距離で、物体の拡大版が観察されます。これは仮想イメージであり、このイメージは画面にキャプチャできません。同様に、凹レンズを使用すると、物体の縮小された虚像が観察されます。
光学系、特に光学レンズは、写真撮影から医用画像、人間の目まで、あらゆる分野で使用されています。
光ファイバーは、電話信号の伝送など、現在の多くのアプリケーションでデータ伝送に使用されています。これらの繊維は、コア、クラッディング、保護用の外側コーティングまたはバッファー、およびその他の強化層で構成されています。
クラッドは、全反射法を使用して、コアに沿って光パルスの形でデータをガイドします。このデータ伝送の特性により、医師が使用する光ファイバーカメラは人体の限られた空間を見ることができます。
顕微鏡検査は、顕微鏡を使用して肉眼では見えない物体を見る分野です。光学顕微鏡または光学顕微鏡では、サンプルを透過または反射した可視光を単一または複数のレンズに通して、サンプルを拡大表示できるようにします。得られた画像は、目で直接検出することも、デジタルでキャプチャすることもできます。
JoVEのリフレクションと屈折の紹介を見ました。これで、屈折の原理、スネルの法則、全反射、レンズの背後にある理論、およびレンズが画像を作成する方法を理解する必要があります。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is refractive index and how does it affect light propagation?
Refractive index (n) is a characteristic of a medium defined as the ratio of the speed of light in vacuum to the speed of light in that medium. Since air has a lower refractive index than water, light travels more slowly through water. This difference in refractive index between two media causes light to bend when transitioning between them, a phenomenon called refraction.
Q2: How does Snell's Law relate angle of incidence to angle of refraction?
Snell's Law provides a mathematical relationship between the angle of incidence, angle of refraction, and the refractive indices of two media. The angle of incidence is measured between the incident light and the normal to the interface in the first medium, while the angle of refraction is measured in the second medium. This law allows calculation of how light bends when traveling between materials with different refractive indices.
Q3: What is the critical angle and when does total internal reflection occur?
The critical angle is the specific angle of incidence at which the refracted light travels along the interface, making the angle of refraction equal to 90 degrees. This occurs only when light travels from a denser medium to a less dense one. When the angle of incidence exceeds the critical angle, total internal reflection occurs, and light is completely reflected back into the first medium instead of refracting.
Q4: What is the difference between real and virtual images formed by lenses?
Real images form when light rays physically converge after passing through a lens, and can be captured on a screen, as in cameras or microscopes. Virtual images form when light rays appear to diverge, and the eye constructs a point of origin behind the lens; they cannot be projected onto a screen. The Thin Lens Equation determines image type: positive calculated distance indicates a real image, while negative distance indicates a virtual image.
Q5: How do convex and concave lenses differ in image formation?
Convex lenses can form both real and virtual images depending on object distance relative to focal length. When object distance exceeds focal length, a real image forms; when less than focal length, a magnified virtual image forms. Concave lenses always cause light rays to diverge, producing only demagnified virtual images regardless of object position. Both lens types use refraction to bend light and create images.
Q6: How is total internal reflection used in optical fiber technology?
Optical fibers transmit data as light pulses through a core surrounded by cladding and protective coating. The cladding guides light along the core using total internal reflection, which keeps light signals contained within the fiber over long distances. This property enables fiber optic cameras used by doctors to view confined spaces in the human body and supports telecommunications applications like telephone signal transmission.
Q7: What role do reflection and refraction play in optical microscopy?
Optical microscopy uses visible light that is refracted through or reflected from a sample, then passes through single or multiple lenses to magnify the view. Refraction bends light to focus it on the sample, while reflection captures light from the sample surface. The combination of these optical phenomena through lenses allows visualization of objects too small for the naked eye, with images detected directly by the eye or captured digitally.