光学
光の直進と反射
反射の法則を検証します。法線から測った反射角は入射角に等しい。3D平面鏡モデルで入射角スライダーを動かし、読み出しの角度を確認し、鏡面に対称な虚像を観察します。
⚠ レーザーや強い光源で実際に実験する場合、光線やその反射光をのぞき込まないでください。
器具
- 3Dキャンバス上の平面鏡と仮想光源
- 入射角スライダー（度の読み出し）
- 第二光路図用の屈折率・焦点距離スライダー
- 入射点に描かれる法線、角度と臨界角の読み出し
手順
入射角＝反射角を検証する
図1で入射角スライダーを 15°、30°、45°、60° と動かします。反射光線は常に法線の反対側に同じ角度で出ます。読み出しの二つの角が等しいことを確認します。
平面鏡の像を観察する
キャンバスをドラッグして視点を変えます。光源の虚像は常に鏡面の後ろ同じ距離に対称にあり、各反射光線の延長がそれを通ります。平面鏡が等倍の像を作る仕組みです。
条件を変えて光線を予測
図2で下方媒質の屈折率を上げます。高屈折率から低屈折率へ進む光について「臨界角」を読み、それを超えると屈折せず全反射します。入射角を臨界角の直前・直後にして比較します。
シミュレーション
実験の歴史
反射の法則——入射角と反射角が等しい——はヘロン（アレクサンドリア）の『反射光学』（1世紀）に記され、最短経路原理と結び付けられました。プトレマイオスは屈折角を実測し、イブン・ハイサムは11世紀に『光学の書』で光学を体系化しました。
ユークリッドはそれ以前に一様媒質中での光の直進を述べています。今日では二つの法則はともにフェルマーの最短時間原理の帰結であり、最初の反射測定表がニュートンの反射望遠鏡と現代光学の基礎となりました。