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理科 · 光の道筋

鏡の奥に像が見えるのはなぜ?反射と屈折を光の道筋でほどこう

編集:ひと息遊戯・ひと息学び 運営 · 編集方針

鏡の中に顔は見えても、鏡の奥にもう一人いるわけではありません。一方、透明なガラスへ入った光は、その中を進みます。『見える場所』と『光が実際に通る場所』を分けると、鏡とガラスの違いが見えてきます。

使う道具は紙と鉛筆だけ。平らな面を一本の線で描き、光の進む向きを矢印にしましょう。身近な理科の記事で扱った『何が、どんな条件で起こるか』を、今度は光の境界で確かめます。

まず面に垂直な『法線』を一本足す

光が当たる点で、面に直角な補助線を引きます。これが法線です。入ってくる光と法線の間が入射角、はね返る光と法線の間が反射角。平面鏡ではこの2つの角が等しくなります。

例えば法線との角が30°なら、鏡の面との角は90°−30°=60°です。反射角を尋ねられて60°を選ぶと、基準を取り違えたことになります。最初の例題は角度の計算より先に、『何から測る角か』を確かめる問題です。

実際の反射光と、後ろへ延ばした線を描き分ける

物体の一点から出た光が鏡で反射し、目へ入る道筋を実線の矢印で描きます。その反射光を、進む向きとは反対に鏡の後ろへ点線で延ばすと、そこから光が来たように見える位置を示せます。平面鏡の像はこの位置に見える『虚像』です。

鏡の後ろで反射光が実際に集まるわけではないため、その場所へスクリーンを置いて像を直接受け止めることはできません。『虚像』は見えない像という意味でもありません。2つ目の例題では、見える位置を実線の交点と取り違えないのが要点です。

鏡からの距離と、物体から像までの距離を分ける

ふつうの平面鏡では、物体が鏡の手前にある距離と、像が鏡の後ろに見える距離は等しく、像の大きさも物体と同じです。紙の鏡線から手前30cmに物体がある設定なら、像は後ろ30cm。物体から像までは30+30=60cmになります。

この数値は、鏡の線をはさんだ位置関係を読むための比較です。『鏡から像まで』の30cmと、『物体から像まで』の60cmでは、測り始める点が違います。図の両側に同じ長さを記し、どの2点の距離を述べているか指でたどってみましょう。

ガラスへ入る光では、法線との角を小さくする

3つ目の例題は、空気から、それより屈折率の大きいガラスへ斜めに入る光です。中へ進む光は遅くなり、法線に近づく向きに曲がります。『屈折』の図でも、基準は境界面そのものではなく法線です。ここで追うのはガラスへ透過する光で、一部が表面で反射することもあります。

ただし『遅くなるなら必ず向きが変わる』とは言えません。面に垂直に入ると、法線に沿ってそのまま進みます。また、同じ道筋を逆にガラスから空気へ戻るなら、斜めの光は法線から離れる向きになります。『どちらの物質から、どちらへ』まで矢印に添えましょう。

3例題を解いたら、答えを図に戻す

反射角では法線に印を付け、虚像では実線と点線を区別し、屈折では『空気→ガラス』を書き添えます。正答を選んだあとに、この3つを一枚ずつ描き直してみましょう。点線を光が進む矢印にしてしまったり、角を面から測ってしまったりした所が、見直す場所です。

次は関連する『音の性質』で、道筋とは別の見方である振動数と振幅を整理できます。『太陽系と光』へ進むなら、月を照らす光源と、ここで扱った光の進む方向を区別して読み直しましょう。

TRY & READ

まずは例題で確かめる

選択肢を比べてから「答えと解説を読む」を開いてください。ここで読んだ例題は、テストの解答や成績として保存されません。

例題 1 · 物理・波と光

平面鏡の反射角はどこから測る?

  1. 反射光の方向
  2. 鏡面の法線
  3. 鏡面そのもの
  4. 入射光の方向
答えと解説を読む

正解:鏡面の法線

入射角と反射角はいずれも法線を基準にします。法線は、光が当たる点で鏡の面に垂直な線です。鏡の面そのものから測った角度と混同しないよう、まずこの垂直な線を基準にします。

この例題の出典

例題 2 · 物理・波と光

平面鏡の像について正しいのは?

  1. スクリーンに直接映る実像
  2. 常に実物より小さい
  3. 鏡面上にある実像
  4. 鏡の後方に見える虚像
答えと解説を読む

正解:鏡の後方に見える虚像

反射光を後方へ延長した位置に見えます。

この例題の出典

例題 3 · 物理・波と光

光が空気からガラスへ斜めに入ると通常?

空気ガラス
空気とガラスの境界へ光が斜めに入射する。光線は境界までで止め、ガラス内の光線や法線は描かない。
  1. 速さが増す
  2. 法線に近づく向きに曲がる
  3. 法線から離れる
  4. 必ず反射だけになる
答えと解説を読む

正解:法線に近づく向きに曲がる

ガラスの屈折率が大きく光速が小さくなる条件です。

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