光の性質・反射・屈折
光は電磁波であり横波です。反射・屈折の法則を確認し、スネルの法則から全反射・臨界角まで押さえましょう。
基本知識
光は電磁波であり、真空中の速さは c = 3.0×10⁸ m/s。横波なので偏光します。
反射の法則: 入射角 = 反射角（入射角・反射角は法線と光線のなす角）
スネルの法則（屈折の法則）: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
（n₁, n₂: 各媒質の屈折率，θ₁: 入射角，θ₂: 屈折角）
屈折率 n: 真空中の速さ / 媒質中の速さ n = c/v（n ≥ 1）
全反射 (total internal reflection): n₁ > n₂（光が密から疎に進む）のとき、入射角が臨界角 θc を超えると屈折光がなくなり完全に反射されます。
sin θc = n₂/n₁
📘 重要用語
屈折率 n (refractive index)（n = c/v。媒質の光の通りにくさの指標）
スネルの法則（n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂。境界での光の方向変化）
全反射 (total internal reflection)（臨界角超えで光が媒質内に閉じ込められる現象）
臨界角 θc（sin θc = n₂/n₁。全反射が始まる角度）
光ファイバー（全反射を利用して光を長距離伝送する通信媒体）
屈折率 n (refractive index)（n = c/v。媒質の光の通りにくさの指標）
スネルの法則（n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂。境界での光の方向変化）
全反射 (total internal reflection)（臨界角超えで光が媒質内に閉じ込められる現象）
臨界角 θc（sin θc = n₂/n₁。全反射が始まる角度）
光ファイバー（全反射を利用して光を長距離伝送する通信媒体）
深掘り (背景・意義)
光ファイバーは全反射の工学的応用の代表例です。光がコアとクラッドの界面で全反射を繰り返しながら伝送されることで、金属ケーブルより低損失・高速な通信が実現します。
ダイヤモンドの臨界角は ~24° と非常に小さく（屈折率 ~2.42 で大きい）、多面カットで多くの面から全反射が起きるために輝きが増します。
水深から見える「空の窓（フィッシュアイ）」（水中から水面を見ると臨界角内の円形の窓しか見えない現象）も全反射の結果です。
💡 ポイント
- n = c/v（屈折率 = 真空速度 / 媒質速度）
- スネルの法則: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
- 密→疎で sin θ 増加→全反射が起こりうる
- sin θc = n₂/n₁（n₁ > n₂ のとき）
- 全反射の応用: 光ファイバー・ダイヤモンドの輝き
注意点 (混同しやすい)
① 全反射は密→疎（n₁ > n₂）の方向にしか起きない。疎→密では全反射は不可能。② θc の公式は sin θc = n疎/n密（< 1 であること確認）。③ スネルの法則の角度は「法線からの角度」（界面からではない）。④ n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ は境界での連続条件の結果であり、反射の法則と別の式。
練習
- 屈折率 1.5 のガラス中での光の速さを求めよ（c = 3.0×10⁸ m/s）。
- 空気（n₁ = 1.0）からガラス（n₂ = 1.5）に 30° で入射する光の屈折角を求めよ。
- ガラス（n = 1.5）から空気への全反射臨界角 θc を求めよ（sin の値のみで可）。