中学理科中学1年生物理

光の反射と屈折とは｜入射角・反射角をやさしく図解【中1理科】

中1理科でつまずきやすい「光の反射と屈折」を図解。角は鏡の面ではなく法線から測ること、入射角＝反射角の反射の法則、空気と水で光が折れ曲がる屈折の向き、水中から起こる全反射、鏡にうつる像まで、図と例題でやさしくわかります。

「鏡だと入射角＝反射角って習ったのに、テストでバツになった…」——その原因の多くは、角をどこから測るかのかんちがいです。光の反射と屈折は、ルールさえ図でつかめば作図問題もこわくありません。算数で習った「角の測り方」がそのまま武器になります。

反射の法則（入射角＝反射角）

鏡に光をあてると、入ってきた光（入射光）と同じ角度ではね返ります（反射光）。たとえば入射角が $30$ 度なら、反射角も $30$ 度。これはどんな角度でも、いつでも成り立ちます。

角は「法線」から測る（最大のつまずき）

ここが一番のつまずきポイントです。入射角・反射角は、鏡の面から測るのではなく、面に垂直な線「法線（ほうせん）」から測ります。

法線とは「その面に垂直（90度）な線」のこと。入射角は「入射光と法線がつくる角」、反射角は「反射光と法線がつくる角」です。だから、鏡の面とのすき間を測ってしまうと答えがズレます。角の測り方そのものは、算数の角の大きさ（分度器）で習った考え方と同じ。基準の線（ここでは法線）からどれだけ開いているかを測ります。

セナ

なんでわざわざ法線（めんに垂直な線）から測るの？　鏡の面から測ったほうがかんたんそうなのに。

ホクト先生

いい疑問！　じつは光がななめに入る平らな面でも、曲がった面（球面の鏡など）でも、ルールを1つにまとめられるからなんだ。「法線から測る」と決めておけば、どんな面でも『入射角＝反射角』の一言ですむ。屈折も同じく法線から測るから、反射と屈折で測り方をそろえられる、というメリットもあるよ。

屈折（空気⇄水・ガラスで光が折れる）

光が空気から水やガラスへ、また水やガラスから空気へとちがう物質に入るとき、境界で折れ曲がります。これを**屈折（くっせつ）**といいます。

折れ曲がる向きにはきまりがあります。屈折角も入射角と同じく、法線から測る角です。

水の入ったコップにストローをさすと折れて見えたり、水中の魚が実際より浅いところにいるように見えたりするのは、すべてこの屈折のせいです。

セナ

水の中のストローが、水面のところで急にカクッと折れて見えるのはどうして？

ホクト先生

それも屈折！　ストローから出た光が、水から空気へ出るときに折れ曲がる。だからわたしたちの目には、実際とちがう向きから光が来たように見えて、ストローが折れて見えるんだ。魚が浅く見えるのも同じ理由。光がまっすぐ来ていないのに、目は「まっすぐ来た」と思いこむから、ズレた場所に見えるんだよ。

全反射（水・ガラスから空気へ出るとき）

水やガラスから空気へ光が出るとき、入射角をだんだん大きくしていくと、ある角度をこえたところで光が空気へ出られなくなり、境界面で光が全部はね返ります。これを**全反射（ぜんはんしゃ）**といいます。

全反射が起こるのは、水・ガラス（こい物質）から空気（うすい物質）へ出るときだけです。逆に空気から水へ入るときには起こりません。光ファイバー（インターネットの通信ケーブル）は、この全反射でケーブル内に光を閉じこめて遠くまで届けています。

鏡にうつる像

鏡を見ると、自分が鏡の奥にいるように見えます。これは、物体からの光が鏡で反射し、その反射光がまっすぐ目に届くため、鏡の奥から光が来たように感じるからです。

像は、鏡の面をはさんで物体と対称（同じきょり・反対側）の位置に見えます。鏡から $30$ cm の位置に立つと、像は鏡の奥 $30$ cm のところにできる、というわけです。鏡の像が左右反対に見えるのも、この反射のしくみによるものです。

やってみよう（練習問題）

光の反射と屈折は、「角は法線から測る」「向きにはきまりがある」という2つの軸さえつかめば、作図問題も現象の説明も同じ考え方でほどけます。見えている世界が、光のルールでできていることが少しずつわかってきます。