説明者: 反射、屈折、レンズのパワー

May 26, 2023

プリズムは、光の波長 (または色) に応じて、入射光をさまざまな量だけ曲げます。 光がプリズムを通って反対側から出ると、虹のように広がります。

エカテリーナ・デミドワ/モーメント/ゲッティイメージズ

トリシャ・ムロ著

6時間前

顕微鏡、望遠鏡、眼鏡。 これらはすべて、光の動きを操作することで機能します。

光の波が鏡などの滑らかな表面に当たると、そこで反射します。 また、光が空気からガラスレンズに入り、ガラスレンズを通過するときなど、異なる密度の環境間を移動するときにも曲がったり、屈折したりします。 これらの光の基本特性を組み合わせることで、科学者は宇宙全体を観察する場合でも、細胞の奥深くを観察する場合でも、ニーズに合わせてレンズやミラーを設計することができます。

鏡を見れば、自分の姿が見えます。 反射の法則は単純です。光線が鏡に衝突するときの角度は、鏡の表面で反射するときの角度と同じです。 懐中電灯を 45 度の角度でバスルームの鏡に当てると、光は 45 度の角度で跳ね返ります。 自分の反射を見ると、照らされた顔に当たる光が鏡に真正面から当たるので、反射してあなたの目に戻ってきます。

これが機能するのは、鏡が非常に滑らかな研磨面であるため、反射率が高いためです。 その滑らかさにより、特定の角度から当たった光はすべて同じ方向に反射されます。 対照的に、寝室の塗られた壁の表面は非常にでこぼこしているため、あまりよく反射しません。 壁に当たる光はその凹凸で反射し、さまざまな方向に反射します。 ほとんどの壁が光沢がなく、くすんで見えるのはそのためです。

懐中電灯やヘッドライトの内側には、後ろに曲面鏡が付いた 1 つの小さな電球があることに気づいたかもしれません。 この曲線は、電球から出てくる光をさまざまな方向に集め、一方向、つまり外側に向けて発する強いビームに集光します。 曲面ミラーは光線を集束させるのに非常に効果的です。

望遠鏡の鏡も同じように機能します。 星のような遠くの物体から入ってくる光の波を単一の光点に集中させ、その光は天文学者が見るのに十分な明るさ​​になります。

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水の入ったグラスにストローを入れると、どのように曲がって見えるかご存知ですか? それは屈折によるものです。 屈折の法則では、光波はある媒体 (空気など) から別の媒体 (水やガラスなど) に移動するときに曲がります。 これは、各媒体の密度が異なるためであり、「光学的厚さ」とも呼ばれます。

ビーチに沿って走っているところを想像してみてください。 コンクリートの道を走り始めると、かなり早くダッシュすることができます。 砂浜に上がるとすぐに速度が下がります。 今までと同じスピードで足を動かそうとしても、それは出来ません。 水の中を走り続けようとすると、さらに速度が落ちます。 砂や水など、現在走っている各表面の「厚さ」により、足が空気中を移動していたときと比べて速度が低下します。

光も媒体によって速度が変化します。 そして、光は波として伝わるため、その波は速度が変化すると曲がります。

水の入ったグラスに入ったストローの話に戻ります。グラスの側面から見ると、ストローはジグザグのように見えます。 あるいは、浅いプールの底に飛び込みリングを置いて、それをつかもうとしたことがあるなら、そのリングが本来あるべき場所にないことに気づくでしょう。 光線が曲がることで、リングは実際のスポットから少し離れたところにあるように見えます。

この曲げの影響は、光の波長や色に応じて大きくなったり小さくなったりします。 青や紫などの短い波長は、赤などの長い波長よりも大きく曲がります。

これが、光がプリズムを通過するときに虹効果を引き起こす原因です。 また、なぜ赤が常に虹の最上部の色であり、紫が最下部の色相であるのかも説明されています。 プリズムに入射する白色光には、さまざまな色の光がすべて含まれています。 赤色の光波は最も曲がりが少ないため、その経路は直線に近くなります。 それは虹のてっぺんに赤を残します。 紫色の光の波はプリズムを通過するときに最も大きく曲がるため、色相は底に向かって落ち込んでいきます。 虹の他の色は、波がどれだけ曲がるかに基づいて、赤と紫の間になります。

反射と屈折は連携して機能し、多くの場合素晴らしい結果が得られます。 太陽が地球の大気中を低角度で通過するときの光の曲がりを考えてみましょう。 これは日の出や日没時に起こりやすいです。 太陽光の曲がり、つまり屈折により、地平線近くの雲が赤やオレンジの色合いで描かれます。

また、空気がほこりっぽいか湿っているときに、最も壮観な夕日が見られることにも気づいたかもしれません。 そのような場合、太陽光は地球の大気によって屈折し、塵や水蒸気の粒子によって周囲に反射されます。

虹でも同じことが起こります。 太陽光が個々の雨粒に入ると、光線は空気から水滴の水に移動するときに屈折します。 雨滴の中に入ると、光は実際に水滴の内側で反射します。 それは一度跳ね返り、その後雨粒の中から戻り始めます。 しかし、光がドロップの内部から再び空気中に戻ると、もう一度屈折します。

これは、2 つの屈折と 1 つの内部反射です。

雨滴を通過する光は、プリズムを通過する光と同じ理由で、虹の明確な弧を形成します。 赤は最も外側の円弧を形成し、青は最も内側の円弧を形成します。 色が広がっていくにつれて、にじんだ色合いの美しさを楽しむことができます。 (二重の虹は、光が各雨滴の中で 2 回反射するときに発生します。2 回の屈折と 2 回の内部反射が発生します。これにより、2 番目の虹の色の順序が逆転します。)

なぜ雪の中では雨のように虹が見られないのか疑問に思ったことはありますか? たぶんそれは今では意味があるでしょう。 虹は水滴のほぼ球形に依存します。 雪も水ですが、結晶の形は全く異なります。 そのため、雪は雨滴と同じような屈折、反射、屈折のパターンを作り出すことができません。

レンズは光の曲がる性質を利用した道具です。 光学科学者は、ガラス片を慎重に成形することで、光を集束させて鮮明な画像を作成するレンズを設計できます。 物体の外観を拡大するために、設計者は多くの場合、一連のレンズを組み合わせます。

ほとんどのレンズは、滑らかな表面を持つ非常に正確な形状に研磨されたガラスから作られています。 最初のガラス板は分厚いパンケーキのように見えます。 レンズに研磨されるまでに、その形状は大きく異なります。

凸レンズは端よりも中央が厚いです。 入ってくる光線を単一の焦点に曲げます。

凹レンズはその逆です。 中心よりも外側が厚く、光線が広がります。 どちらのタイプのレンズも、顕微鏡、望遠鏡、双眼鏡、眼鏡に役立ちます。 これらの形状を組み合わせることで、光学科学者は光線を必要な任意の経路に導くことができます。

ミラーも、光の経路を変更するように形状を変えることができます。 カーニバルの鏡に映った自分の姿を見たことがあれば、背が高くて痩せていて、背が低くて丸く見えたり、歪んで見えたりしたかもしれません。

鏡とレンズを組み合わせると、灯台から照射されるような強力な光の軸を作成することもできます。

宇宙の最も壮大なトリックの 1 つでは、強力な重力がレンズのように機能します。

天文学者と彼らが見ている遠くの星の間に、銀河やブラック ホールなどの非常に大きな天体がある場合、その星は (プールの底にある輪のように) 誤った場所にあるように見えることがあります。 。 銀河の質量は実際にその周囲の空間を歪めます。 その結果、遠くの星からの光線は、移動する空間に応じて曲がります。 この星は、天文学者の画像上に、それ自身の複数の同一の外観として現れることさえあるかもしれない。 あるいは、汚れた光の弧のように見えるかもしれません。 場合によっては、位置が適切であれば、その光は完全な円を形成することがあります。

それは、ファンハウスの鏡の軽いトリックと同じくらい奇妙ですが、それは宇宙規模です。

角度: 2 つの交差する線または面の間の、それらが交わる点またはその近くでの間隔 (通常は度で測定)。

アーク: 曲線。多くの場合、円の一部のように見えるものをマッピングします。

配列 : 幅広く整理されたオブジェクトのグループ。 場合によっては、調整された方法で情報を収集するために体系的に配置された機器であることもあります。 また、配列は、色などの広範囲の関連するものを一度に表示できる方法でレイアウトまたは表示されるものを参照することもあります。 この用語は、さまざまなオプションや選択肢にも適用できます。

天文学者: 天体、宇宙、物理宇宙を扱う研究分野に従事する科学者。

雰囲気: 地球、別の惑星、または月を取り囲むガスのエンベロープ。

ブラックホール: 物質や放射線 (光を含む) が逃げることができないほど強力な重力場を持つ宇宙領域。

雲: 風、放射線、水流などの外部の力の作用下で移動する、水滴などの分子または粒子のプルーム。

凹面：お椀の内側のように、やや丸みを帯びた面の形状を表す用語。

コンクリート ：堅実で本物であること。 (建設中) シンプルな 2 つの部分からなる建築資材。 一部は砂または砕いた岩片でできています。 もう 1 つはセメントでできており、硬化して材料の粒子を結合するのに役立ちます。

凸型：外側に向かって丸みを帯びた形状を有する表面。

宇宙: (形容詞: 宇宙) 宇宙とその中のすべてを指す用語。

程度 : (幾何学において) 角度の測定単位。 各度は円周の 360 分の 1 に相当します。

密度: ある物体がどの程度凝縮されているかを示す尺度。その質量をその体積で割ることによって求められます。

環境 : ある生物の周囲に存在するすべてのもの、またはそれらのものが作り出すプロセスと状態の合計。 環境とは、動物が生息する天候や生態系、あるいは温度や湿度 (あるいは、対象となるアイテムの近くの物の配置) を指す場合もあります。

焦点: 複数の点が集まっている場所、またはビームが一点に絞られている場所。

集中 : (物理学において) レンズの助けを借りて、光線 (光や熱など) が収束する点。 (視覚において、動詞、「焦点を合わせる」) 人の目が光と距離に適応して、物体をはっきりと見ることができるようにする動作。

銀河 : 星のグループ、そして通常は目に見えない神秘的な暗黒物質はすべて重力によって一緒に保持されています。 天の川銀河のような巨大な銀河には、1,000 億個以上の星があることがよくあります。 最も暗い銀河には数千個しかないかもしれません。 一部の銀河にはガスや塵があり、そこから新しい星が作られます。

重力 : 質量または体積のあるものを、質量のある他のものに引き寄せる力。 何かの質量が大きいほど、その重力は大きくなります。

色合い: ある色の色または色合い。

レンズ : (生物学において) 色のついた虹彩の後ろにある目の透明な部分で、入ってくる光を眼球の後ろにある光吸収膜に焦点を合わせます。 (物理学において) 平行光線が通過するときに、焦点を合わせたり広げたりできる透明な素材。 (光学分野) 空間内の特定の点に焦点を合わせるように入射光を曲げる、透明な材料 (ガラスなど) の湾曲した部分。 または、重力など、物理レンズの光を曲げる属性の一部を模倣できるもの。

拡大する: 何かの見かけの大きさや数が増加すること。

質量: 物体が加速と減速にどの程度抵抗するかを示す数値。基本的には、その物体がどれだけの物質から作られているかを示す尺度です。

顕微鏡: 細菌や植物や動物の単細胞など、肉眼では見えないほど小さい物体を観察するために使用される機器。

光学的: 光や視覚を表す形容詞。

粒子：微量の何か。

ピア : (名詞) 年齢、教育、地位、訓練、またはその他の特徴に基づいて平等な人。 (動詞) 何かを調べること、詳細を調べること。

ポイント : (数学で) サイズが存在しないほど小さい、空間内の正確な点。 ただ住所があるだけです。

プリズム : 白色光の成分を虹のような一連の色の帯に曲げることができる、ガラスまたは別の透明な物質で作られた三角形のくさび。 (v.) 光をその構成要素の色相に分離すること。

虹 : 雨が降っている間または降った直後に空に現れる色の弧。 これは、大気中の水滴が白色太陽光をさまざまな色相 (通常は赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫) に曲げる (または回折する) ときに発生します。

光線: (数学で) 片側に定義された終点があるが、もう一方の側は永遠に続く線。

反射性の：（v.反映する ; n.反射 ) 光を強く反射する何かの能力を指す形容詞。 このような物体は、太陽光が反射すると、強い明るいグレアを生成することがあります。 反射する物体の例には、鏡、滑らかな金属缶、車の窓、ガラス瓶、氷、雪、湖の水面などがあります。

屈折する:(n.屈折 ) 光 (またはその他の波) が何らかの物質を通過するときに、その方向を変えること。 たとえば、水を出て空気に入る光の経路は曲がり、部分的に水没した物体が水面で曲がって見えるようになります。

星 : 銀河を構成する基本的な構成要素。 星は、重力によってガスの雲が圧縮されるときに発達します。 星が十分に熱くなると、星は光を放射し、場合によっては他の形態の電磁放射を放射します。 太陽は私たちに最も近い星です。

望遠鏡 : 通常、レンズまたは曲面鏡とレンズの組み合わせを使用して、遠くにある物体をより近くに見せる集光装置です。 ただし、アンテナのネットワークを通じて無線放射 (電磁スペクトルの異なる部分からのエネルギー) を収集するものもあります。

ワープ : 通常は平らな表面または平面における何らかのねじれや湾曲による形状の変化。 濡れた木材は乾燥が不均一になると反り、湾曲したり、わずかなねじれが現れたりすることがあります。

水蒸気: 空気中に浮遊できる気体の状態の水。

波: 規則的に振動しながら空間や物質を伝わる擾乱または変動。

波長 : 一連の波における、ある山と次の波の間の距離、または 1 つの波と次の波の間の距離。 放射線を測る「物差し」の一つでもある。 可視光は、すべての電磁放射と同様、波として伝わり、約 380 ナノメートル (紫) から約 740 ナノメートル (赤色) の波長を含みます。 可視光線よりも短い波長の放射線には、ガンマ線、X線、紫外線が含まれます。 より長い波長の放射線には、赤外線、マイクロ波、電波が含まれます。

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