光の性質｜中学理科（物理分野）

理科で最初に「作図で答えを出す」体験をするのが、光の分野です。公式を覚える前に、光がどう進むかを線で描けるようになることを目指します。

光は直進する

光は、とちゅうに何もなければまっすぐ進みます。これを光の直進といいます。

光源から出た光の道すじを線で表したものを光線といい、理科ではこの光線を矢印つきの直線で描いて考えます。

影ができるのは、光が直進するからです。光がもし曲がって進めるなら、物のうしろにも回りこんで影はできません。

鏡に当たった光は、決まった向きにはね返ります。

鏡の面に垂直な線（法線）を引いたとき、入ってくる光と法線がつくる角を入射角、はね返った光と法線がつくる角を反射角といいます。

図 1反射の法則。法線を境に、入射角 a と反射角 b が等しくなる。

鏡を見ると、自分が鏡の向こう側にいるように見えます。これを像といいます。

像の位置は、鏡の面をはさんで物体と対称な位置です。鏡から $50\unit{cm}$ はなれて立つと、像は鏡の $50\unit{cm}$ 奥にできるので、自分と像のきょりは $100\unit{cm}$ になります。

光が空気から水やガラスへ、ななめに入るとき、境界面で折れ曲がります。これを屈折といいます。

曲がる理由は、物質によって光の進む速さがちがうからです。水やガラスの中では、光は空気中より遅くなります。

水に入れたストローが折れて見えるのも、浅く見えるプールの底が実際はもっと深いのも、この屈折のせいです。

水やガラスから空気へ出ようとする光は、入射角を大きくしていくと屈折角が先に $90°$ に達します。それより入射角を大きくすると、光は外へ出られずすべて反射します。これを全反射といいます。

光ファイバーは、この全反射を使って光を遠くまで運んでいます。

問 1基本反射

鏡の面に対して、入射する光が $30°$ の角をなして進んできた。このときの反射角は何度か。

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角度は法線から測ることに注意します。

鏡の面と光のなす角が $30°$ なので、法線と光のなす角（入射角）は

90° - 30° = 60°

反射の法則より反射角も等しいので、 $60°$ 。

「 $30°$ 」と答えたくなりますが、それは鏡の面から測った角です。問題文が面から測った角を与えているときは、必ず $90°$ から引いてください。

問 2標準鏡と像

かべにかけた鏡から $1.5\unit{m}$ はなれて立っている人がいる。

(1) 鏡にうつる自分の像は、その人から何 m はなれた位置に見えるか。 (2) この人が鏡に $0.5\unit{m}$ 近づいたとき、人と像のきょりは何 m になるか。

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(1) 像は鏡の面をはさんで対称な位置にできるので、鏡の奥 $1.5\unit{m}$ 。よって人から像までは

1.5 + 1.5 = 3.0\unit{m}

(2) 人と鏡のきょりが $1.5 - 0.5 = 1.0\unit{m}$ になるので、像までは

1.0 + 1.0 = 2.0\unit{m}

答: (1) $3.0\unit{m}$ 、(2) $2.0\unit{m}$ 。

$0.5\unit{m}$ 近づいたのに、きょりは $1.0\unit{m}$ 縮んでいます。自分と像が同時に近づくので、変化は2倍になります。

問 3発展屈折・全反射

水の中から水面に向かって光を当てる。入射角を少しずつ大きくしていくと、ある角度をこえたところで、光が空気中へまったく出てこなくなった。

(1) この現象を何というか。 (2) なぜ光が出てこなくなるのか、屈折角ということばを使って説明せよ。

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(1) 全反射。

(2) 水から空気へ進む光は、屈折角のほうが入射角より大きくなります。入射角を大きくしていくと、屈折角のほうが先に $90°$ に達します。

屈折角が $90°$ とは、屈折した光が水面に沿って進む状態で、これが限界です。これ以上入射角を大きくしても、屈折角は $90°$ より大きくなれない ——つまり空気中へ出る道すじが存在しないため、光はすべて水面で反射されます。

なお、逆に空気から水へ入る場合は屈折角のほうが小さくなるので、入射角をいくら大きくしても屈折角が $90°$ に達することはなく、全反射は起こりません。