Refraction (日本語)

光の屈折は、私たちの日常生活の多くの場所で見ることができます。 それは、水面の下のオブジェクトが実際よりも近くに見えるようにします それは光学レンズが基づいているものであり、ガラス、カメラ、双眼鏡、顕微鏡および人間の目のような器械を可能にする。 屈折はまた虹および蜃気楼を含むある自然な光学現象に責任があります。,

一般的な説明

屈折の正しい説明は、二つの別々の部分、両方の光の波の性質の結果を含みます。

1. 光は真空以外の媒体（空気、ガラス、水など）を通過するにつれて遅くなります。 これは散乱または吸収のためではありません。, むしろ、電磁振動として、光自体が電子などの他の荷電粒子を振動させるためです。 振動する電子は、元の光と相互作用する独自の電磁波を放出する。 結果として得られる”結合された”波は、観測者をより遅い速度で通過させる波束を有する。 光は効果的に遅くなっています。 光が真空に戻り、近くに電子がないとき、この減速効果は終了し、その速度はcに戻ります。,
2. 光が移動する媒体に入る、出る、または変化するとき、ある角度で、波面の一方の側または他方の側が他方の側よりも遅くなる。
3. 光が移動する媒体 この非対称的な光の減速は、それがその移動の角度を変える原因となります。 光が一定の特性を持つ新しい媒体内に入ると、再び直線で移動します。

媒質中の光の減速についての説明

上述したように、真空以外の媒質中では光の速度が遅くなる。 この減速は、空気、水、またはガラスなどのあらゆる媒体に適用され、屈折などの現象の原因となります。, 光が媒体を離れて真空に戻り、重力の影響を無視すると、その速度は真空中の通常の光速度に戻ります。c。

この減速についての一般的な説明は、原子からの光散乱、または原子によって吸収されて再放出されるという考えに基づいていますが、どちらも間違っています。 これらのような説明は、もはや一方向に移動しないので、結果として生じる光に”ぼかし”効果を引き起こすでしょう。 しかし、この効果は自然界には見られません。

より正確な説明は、電磁波としての光の性質にかかっています。, 光は振動する電気/磁気波であるため、媒体中を移動する光は、材料の帯電した電子も振動する。 （材料の陽子も振動しますが、それらは約2000倍の質量であるため、その動き、したがってその効果ははるかに小さいです）。 移動する電荷は、それ自身の電磁波を放出する。 振動する電子によって放出される電磁波は、元の光を構成する電磁波と相互作用し、池の水の波と同様に、建設的な干渉として知られているプロセス。, 二つの波がこのように干渉するとき、結果として得られる”結合された”波は、より遅い速度で観察者を通過する波束を有することができる。 光は効果的に遅くなっています。 光が物質を離れると、電子とのこの相互作用はもはや起こらず、したがって波束速度（したがってその速度）は通常に戻る。

媒体に出入りするときの光の曲がりの説明

図のように速度が遅い材料から別の材料に向かう波を考えてみましょう。, それは角度で材料間のインターフェイスに到達した場合、波の片側が最初に第二の材料に到達し、したがって、以前に遅くなります。 波の片側が遅くなると、波全体がその側に向かって旋回します。 これは、より遅い材料に入るときに波が表面から離れて曲がるか、または法線に向かって曲がる理由です。 速度が高い材料に到達する波の反対のケースでは、波の片側がスピードアップし、波がその側から離れてピボットします。,

同じことを理解するもう一つの方法は、界面での波長の変化を考慮することです。 波が異なる速度vを有する材料から別の材料に波が移動する場合、波の周波数fは同じままであるが、波面間の距離または波長λ=v/fは変化する。 右の図のように速度が低下すると、波長も減少します。 波の前線とインターフェイスの間の角度と波の前線の間の距離の変化によって、角度は波の前線をそのまま保つためにインターフェイス上で変化しなければなりません。, これらの考察から、二つの材料における入射角φ1、透過角φ2および波速度v1およびv2との関係を導出することができる。 これは屈折の法則あるいはスネルの法則であり、

sin≤1sin≤2=v1v2{\displaystyle{\frac{\sin\theta_{1}}{\sin\theta_{2}}}={\frac{v_{1}}{v_{2}}}}と書くことができる。

屈折の現象は、より基本的な方法で2次元または3次元の波動方程式から導出することができる。, 界面における境界条件は、波ベクトルの接線成分が界面の両側で同一であることを必要とする。 波ベクトルの大きさは波の速度に依存するので、これは波ベクトルの方向の変化を必要とする。

上記の議論における関連する波の速度は、波の位相速度である。 これは通常、波の真の速度と見なすことができる群速度に近いが、それらが異なる場合、屈折に関連するすべての計算において位相速度を使用することが重要である。,

境界に垂直に進行する波、すなわち境界に平行な波面を有する波は、波の速度が変化しても方向を変化させない。

屈折の法則

光の場合、材料の屈折率nは、材料中の波位相速度vよりも頻繁に使用されます。 しかしながら、それらは真空cにおける光速を通して

n=c v{\displaystyle n={\frac{c}{v}}}と直接関連している。,

したがって、光学系においては、屈折の法則は典型的には

n1sin≤1=n2sin≤2{\displaystyle n_{1}\sin\theta_{1}=n_{2}\sin\theta_{2}}と書かれる。

水面の屈折

水の屈折率は1.33で空気の屈折率は約1であるため、光が水面を通過すると屈折が起こります。, この図の鉛筆のような直線の物体を見ると、部分的に水の中に斜めに置かれていると、物体は水面で曲がっているように見えます。 これは、光線が水から空気に移動するときの光線の曲がりによるものです。 光線が目に到達すると、目はそれらを直線（視線）としてトレースします。 視線（破線として示されている）は、実際の光線が発生した場所よりも高い位置で交差します。 これにより、鉛筆が高く表示され、水が実際よりも浅く表示されます。,

上から見たときに水が見える深さは、見かけの深さとして知られています。 これは、ターゲット魚が別の場所にあるように見えるようになり、漁師は魚を捕まえるために低く目指さなければならないので、表面からのスピアフィッシングのための重要な考慮事項である。 逆に、水の上のオブジェクトは、水の下から見たときに高い見かけの高さを有する。 逆の補正は、射手の魚によって行われなければなりません。,

小さな入射角（法線から測定され、sinθがtanθとほぼ同じである場合）に対して、見かけの深さと実際の深さの比は、空気の屈折率と水の屈折率の比である。 しかし、入射角が90oに近づくにつれて、見かけの深さはゼロに近づきますが、反射が増加し、高い入射角での観察が制限されます。, 逆に、見かけの高さは、（下から）入射角が増加するにつれて無限大に近づくが、それより早く、全内部反射角に近づくにつれて、この限界に近づくにつれて画像も視野からフェードアウトする。

分散

屈折はまた、虹とガラスプリズムを通過するときの白色光の虹スペクトルへの分裂の原因となります。, ガラスは空気よりも高い屈折率を有する。 白色光のビームが空気から周波数によって変化する屈折率を有する材料に通過すると、白色光の異なる色成分が異なる角度で屈折する、すなわち界面で異なる量だけ曲がり、分離するという分散と呼ばれる現象が起こる。 異なる色は異なる周波数に対応する。,

大気屈折

空気の屈折率は空気密度に依存し、したがって空気の温度および圧力によって変化する。 より高い高度では圧力が低いため、屈折率も低くなり、大気中を長い距離を移動するときに光線が地表に向かって屈折する原因となります。, これは、地平線に近いときに星の見かけの位置をわずかにシフトさせ、日の出の間に幾何学的に地平線の上に上昇する前に太陽を見えるようにし

空気中の温度変化はまた、光の屈折を引き起こす可能性があります。 これは、熱い空気と冷たい空気が例えば火の上、エンジンの排気、または寒い日に窓を開けるときに混合されるときの熱かすみとして見ることができ, これは混合された空気を通して見られる目的を熱く、冷気が動くと同時に微光するか、または任意に動かすようである作る。 この効果は、高倍率望遠レンズを使用する場合、晴れた日の気温の通常の変化からも見え、これらの場合には画質が制限されることがよくあります。 同様に、大気乱流は、天体望遠鏡の画像に急速に変化する歪みを与え、これらの大気の歪みを克服するための補償光学または他の技術を使用しない地,

表面近くの気温の変化は、蜃気楼やFata Morganaなどの他の光学現象を引き起こす可能性があります。 最も一般的には、晴れた日に熱い道路によって加熱された空気は、視聴者に向かって浅い角度で接近する光を偏向させる。 これにより、道路が反射して現れ、道路を覆う水の錯覚を与えます。,

臨床的意義

医学、特に検眼、眼科および整形外科において、屈折（屈折法とも呼ばれる）は、眼の屈折異常および処方されるべき最良の矯正用レンズを決定するために、適切な眼ケア専門家によってフォロプターを使用することができる臨床試験である。 等級別にされた光学力または焦点距離の一連のテストレンズは最も鋭く、最も明確な視野を提供するかどれが定めるために示される。,

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