光学
全反射と光ファイバー
光を屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ入射させ、屈折が消えて全反射が始まる臨界角 を見つけます — 光ファイバーの導光機構です。
⚠ 光ファイバーの端面や平行光ビームを直接覗き込まないでください — 結合光学系は見えないレーザー光を網膜に集中させるおそれがあります。
器具
- 入射・反射・屈折光線を示す二媒質界面
- スライダー「入射角」
- スライダー「屈折率 n₁」「屈折率 n₂」
- 「パラメータリセット」ボタン
手順
入射角を増やす
n₁>n₂ のまま入射角スライダーをゆっくり上げます。屈折光線は法線から遠ざかり、臨界角で界面に沿って進みます。 を超えると屈折光線は消え全反射します。屈折光線が消える を読み取りましょう。
スネルの法則を確かめる
スライダーの屈折率から を計算し読み値と比較します — ガラスから空気（、）なら 。次に臨界未満の角を設定し、描かれた屈折光線に対して を確認します。
光導波路を作る
n₂ を下げるか n₁ を上げて を小さくし、それを十分上回る入射角を選びます — 急角度で進むファイバー心内の光と同じです。ファイバー内を反射する光がほとんどエネルギーを失わない理由と、空気からガラスへ入る場合に条件が崩れる理由を説明しましょう。
シミュレーション
実験の歴史
スネルの屈折法則は1621年頃に草稿で流布し、1637年にデカルトが発表しました。全反射は、光が十分に急な角度で屈折率の小さい媒質に出会うたびに現れる帰結です。ティンダルは1870年、落ちる水流に沿って光を導く実演で公開しました — 最初の公開「光パイプ」です。
物理学者ナリンダー・カパニーが1950年代に「光ファイバー」という語を造り、チャールズ・カオは1966年に通信に耐えるほど純粋なガラス繊維が作れると主張して2009年のノーベル賞を受けました。同じ臨界角の物理がプリズム、指紋リーダー、現代顕微鏡のエバネッセント波センサーを支えています。