光学
光の屈折と屈折率
二媒質の界面で入射角と屈折率を変え、屈折角を測定します。スネルの法則 と全反射の条件を確かめます。
⚠ レーザーを使う実験では、目に向けず、ガラス面からの不意の反射にも注意してください。
器具
- 2つの透明媒質の界面を通る光線の3Dモデル
- 入射角・屈折率・焦点距離のスライダー
- 法線からの入射角・屈折角を読む仮想分度器
手順
屈折率を固定して入射角を変える
図1で「屈折率」を1.5に保ち、「入射角」を5°から80°まで動かします。読み値から (i, r) の組を記録し、密な媒質へ入る光が法線側へ折れるのを見ます。各組の sin i / sin r を計算し、ほぼ一定であることを確認します。
スネルの法則を検証する
n₂ を三値（例 1.0, 1.5, 2.0）に変え、入射角35°で屈折角 r を読みます。n₁ = 1（空気）として を確認します。n₂ が大きいほど r は小さく、光は法線へ強く折れます。
臨界角を求める
進行方向を逆にし（高屈折率から低屈折率へ）、屈折光が消えて反射光だけ残るまで入射角を上げます。その入射角を読み、臨界角 と比べます。
図2の焦点距離スライダーを調べる
図2で「焦点距離」を変え、界面後の光線の収束・発散を観察します。同じ曲率で屈折率が大きいほど収束が強いことは、薄レンズの前提です。スライダーを動かす前に折れ方を予測して確かめます。
シミュレーション
実験の歴史
入射角と屈折角の関係は、現在の名称が付くずっと前から17世紀の数学者たちによって追及されました。ウィレブロルト・スネリウスは測定により1621年頃に正弦形を見出しましたが公表せず、ルネ・デカルトは説得力のある導出なしに『屈光学』（1637年）に式を載せました。ピエール・ド・フェルマーは1657–1662年に最短時間の原理からこの法則を導きました。物理学最初の変分原理の一つです。
スネルの法則 n₁ sin i = n₂ sin r は、屈折媒質中で光が遅くなることを含意し、イポリット・フィゾーは1850年に回転歯車でそれを直接測定しました。オーギュスタン・フレネル、のちマクスウェルは屈折を波動理論に組み込み、屈折率は位相速度 を反映し、電磁理論は全反射も説明しました。現在は光ファイバーの核心となる現象です。