物理学実験
Lab5: 光の反射と屈折実験

（企画担当：上林 、実験室：電気電子工学実験室Ａ）

オリジナルファイルは→こちら(20120731版)
PDFファイルは完了版に対して作成し掲載します。

物理学実験の実験題目５「光の反射と屈折実験」の実験指導書です。

1. 実験の目的

2. 理論

(1) 幾何光学
光は波の性質を持っており，鏡などに当たると反射（reflection）する。 鏡に当たる光を入射波（incident wave），反射する光を反射波（reflected wave）という。 入射波が鏡の反射面の法線となす角を入射角θi ，反射波が法線となす角を反射角jといい，一般に、
θi＝θj ……(1)
である。このような反射を正規反射という。
(2) 光の屈折
光が空気中から水面に入射すると，一部は反射し，一部は屈折（refraction）して水中に入る。水中に入る光を屈折波（refracted wave）といい，屈折波が水面の法線となす角を屈折角θr という。 反射角は，
θi＝θj……(2)
であり，正規反射だが，屈折角は， になる。 空気中の光の速度をv1，水中の光の速度をv2とすると，
……(3)
n12を物質1（空気）に対する物質2（水）の屈折率という。
(3) 全反射
光が水中から空気中に入射する場合の屈折率はであり，θr ＞ θiのため，θiを徐々に大きくすると，θr＝90° __D_Dd___θi を臨界角（optimum angle）という。 臨界角をθi0 とすると，
sinθi0＝n12 ……(4)
となる。
(4) 光ファイバ
光ファイバは、細いガラス繊維でできており、中心部で屈折率が大きいため光が全反射しながら進む。光通信や内視鏡などに応用されている。

3. 実験

(1) 鏡の実験（正規反射）

（準備中）

(2) 水槽の実験（屈折と全反射）

水の屈折率を求めよ。

【実験方法】
  1. 光学水槽の中央の水平線まで水を入れる。
  2. ランプを点灯し、入射角45°で空中から水中に光線を入射させる。
  3. 反射角、屈折角が測定できることを確認する。
    必要に応じて暗幕をする。
    正確に反射角、屈折角を測定する方法を検討する。
  4. 入射角を5°〜85°まで10°間隔で変化し、反射角、屈折角をそれぞれ測定する。
  5. ランプを消灯する。
【結果の整理】
  1. 各入射角における水の屈折率、及びその平均、分散を求めよ。

水中から空気中に入射するときの反射角、屈折角、臨界角を予測し、実験により確認せよ。

【準備】
  1. 上の実験で求めた水の屈折率の平均値を使い、水の臨界角を計算せよ。
  2. 水中から空気中に光線を入射するときの入射角を5°〜85°まで変化したときの反射角、屈折角を予測せよ。
  3. 教員（TA）の確認を受けよ。
【実験方法】
  1. ランプを点灯し、入射角を5°〜85°まで変化し、反射角、屈折角を測定する。
  2. 臨界角の確認方法を検討し確認する。
  3. ランプを消灯する。
【結果の整理】
  1. それぞれの入射角における、反射角、屈折角の測定値と予測値の誤差をそれぞれ求めよ。
  2. 臨界角の測定方法と結果を記せ。
  3. 教員（TA）の確認を受けよ。

(3) 擬似光ファイバ（アクリルブロック）の実験


アクリルブロックを光ファイバとみなし、その中を光が全反射しながら進む様子を観察せよ。

【準備実験】
  1. 図6のように、厚紙の上に、アクリルブロックとレーザー光源（レーザーレベルアングル）を配置する。
  2. レーザー用ゴーグルを装着する。
  3. 暗幕をし、レーザー光源を発光させ、アクリルブロック内の光線の軌跡が観察できることを確認する。
  4. 入射角を変化し、光線の軌跡を観察する。
  5. 暗幕を開け、レーザー光源を消灯し、レーザー用ゴーグルを外す。
【準備】
  1. 入射角20°、40°、60°、80°における光線の軌跡を記録するために、厚紙にどのようなマークを書き込み、どのような実験をするか検討し、厚紙に必要な書き込みをし、実験手順をまとめよ。
  2. 想定される実験結果を記せ。
  3. 教員（TA）の確認を受けよ。
【実験】
【結果の整理】
  1. 計画通り結果をまとめよ。
  2. 教員(TA)の確認を受けよ。

4. レポート課題

  1. （鏡の実験に関する課題1）
  2. （鏡の実験に関する課題2）
  3. （鏡の実験に関する課題3）
  4. 空中から水中に光が入射するときの入射角を5°〜85°まで変化したときの、それぞれの入射角に対する反射角、屈折角、屈折率を表にまとめよ（表1）。
  5. 表1から屈折率の平均値、分散を計算し、誤差要因を考察せよ。また、臨界角を計算せよ。
  6. 水中から空中に光が入射するときの入射角を5°〜85°まで変化したときの、それぞれの入射角に対する反射角、屈折角の測定値、理論値、及びその誤差を表にまとめよ。（表2）。
  7. 臨界角の測定方法と測定結果を記し、誤差要因を考察せよ。
  8. アクリルブロックによる擬似光ファイバ実験の実験方法、実験結果を記し、考察せよ。
2012.08.01.
arranged by fmiso at sist.chukyo-u.ac.jp