光の屈折の仕組みを解説!用語から作図まで理解しよう【中1理科|高校入試頻出】

更新日:2024/01/24

日々私たちの生活を支えている光には、様々な特徴があり、中学1年生の理科では、光の性質について勉強していきます。光に関する単元では作図が多く出題されます。用語や光の性質理解、そして作図と、覚えることも多い単元です。今回は「光の屈折」に焦点を当てて解説をしていきます!

目次

光の屈折とは

光の屈折

光が異なる物質に進むときにその境界面で曲がる(=屈折)すること。

身の回りにある光の屈折

光の屈折は身の回りの現象としても観察することができます。
例えばお風呂に入ったとき、浴槽に入れた足が実際の位置より少しずれているように見えたり、少しゆがんで見えたりしませんか?これは光の屈折により起こっています。

お風呂の電気から出た光は足に当たり、はね返ります。足からはね返った光が目に届くのですが、この光はお風呂の水の中から空気中に出て目に届きますね。このように、水と空気など、異なる物質に向かって光が進むときその境界面では屈折が起こります。しかし人間は目に届いた光が「直進してきている」と認識するために、実際の位置とのずれやゆがみが起きているように見えるのです。

光の屈折の作図

では実際に光の屈折の作図をしてみましょう。光が異なる物質に進むときに屈折が起こりますが、一部の光は反射します。

光が空気中からガラスに進む状態を考えていきます。
屈折した光はよりガラス中に潜りこむように進みます。この屈折した光を「屈折光」と言います。屈折光と垂線でできた角を「屈折角」と言います。入射角と屈折角は入射角のほうが大きくなるように作図します。今回の図では、角A(入射角)>角B(屈折角)となるようにしてください。

ガラス中に入る光は屈折した後はそのまま直進します。そして、直進した光は空気中に出るときにまた屈折します。今度はさっきと逆で、空気中に出た光(屈折光)はガラスに近づくように屈折します。つまり、入射角(角C)より屈折角(角D)が大きくなるのです。

出来上がった図をみてみましょう。
空気中からガラス中に入る入射角(A)と、ガラス中から空気中に出る屈折角(D)は同じ角度になります。同様にして、空気中からガラスに入ったときの屈折角(B)と、ガラス中から空気中に出るときの入射角(C)は同じ角度です。これはガラスが長方形で垂線が並行になるときだけ成り立ちます

半円ガラスの時の光の屈折(おまけ)

半円のガラスの中心に光が入っていくときは、下のような作図になります。

ガラスに光が入るときは屈折しますが、ガラスから空気中に出ていくときは屈折しません。半円ガラスから出る光は円の中心をとおっているため、円周面に対して垂直の状態になります。入射角が0°になっているわけです。この場合は屈折せずにそのまま光は進みます。

光の屈折の法則

作図をしてみると、空気中からガラス中(水中)へと光が進むときと、ガラス中(水中)から空気中へと光が進むときでは屈折角が異なることが分かりました。

光の屈折の法則

・空気中からガラス(水中)に光が進むとき 入射角>屈折角
・ガラス中(水中)から空気中に光が進むとき 入射角<屈折角

複雑ではないですが、どっちがどっちなのかわからなくなることも多いので、法則として覚えるよりは、作図を覚えたほうが覚えやすい人もいるでしょう。
文字で覚えるのが難しい場合は何度も作図を書いてみてください。

光の屈折によりズレて見える理由

光の屈折の法則や、作図の仕方は解説しましたが、これだけでは「なぜお風呂で足の位置がずれて見えるのか」はわかりませんよね。ここからはその理由を解説します。ここでも作図が活躍します。先ほどの屈折の作図をなんとなく思い出しながら考えていきましょう。

ここでは作図をしやすいように、お風呂の中に四角い箱が沈んでいて、それをお風呂の外から見ている様子を考えます。

四角い箱は発光しているわけではなく、お風呂の電気から出た光が箱にはね返って目に届くことで、私たちは箱を見ることができているのでした。
今回は箱がはね返した光がどのようにして目に届くかを考えます。

箱から出た光は水面に向かい、空気中に出るときに水面に近づくように屈折します。上の図のようにして実際の光は目に届きます。しかし、私たちは目に届いた光が「直進してきた」と認識します。

目に届いた光を逆側に屈折しないように伸ばした先に箱があると見えてしまうわけです。その結果、上の図のように実際に箱がある位置よりも上に箱があるように見えています。
このように、光は屈折しているのに人は光が直進していると処理してしまうために、お風呂の中や水の中にあるものを空気中からのぞくと位置がズレて見えるのですね。

光の屈折は身近な現象と紐づけて覚えよう!

光の単元は身近な現象を科学的に解明できる単元です。お風呂の時間や鏡を見ているときに、光はこんな風に目に届いているんだなぁと考えてみてください。理科は暗記、と思いがちですが、日常の現象と紐づけることで案外簡単に覚えることができます。机に向かうことだけが勉強ではありません。視野を広げてみると覚えるチャンスは転がっていますよ。

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