光が違う物質に入ると曲がる
透明なコップに水を入れて、ストローを斜めに刺してみてください。水面のところでストローが カクッと折れたよう に見えるはずです。実際にはストローはまっすぐなのに、なぜそう見えるのか。
これは、空気と水の境目で光が曲がっているからです。光が違う物質に入るとき、その境目で進む向きが変わる現象を 屈折（くっせつ） といいます。プールの底が浅く見えたり、水中の魚の位置がずれて見えたりするのも、すべて屈折のせいです。
屈折のルール
屈折を正しく語るには、2つの角度をきちんと区別します。どちらも 境目に垂直に立てた線（法線） から測った角度です。
空気→水・ガラス屈折角 ＜ 入射角（法線に近づくように曲がる）
水・ガラス→空気屈折角 ＞ 入射角（法線から遠ざかるように曲がる）
覚え方：「光が遅くなる側に入ると、法線側に寄る」。光は密な物質（水・ガラス）のなかほどゆっくり進むので、空気から水に入るとブレーキがかかって法線側にぐっと寄ります。
水中のものが浅く見える理由
図1の③を見てください。水底にある石から出た光は、水→空気で 法線から遠ざかるように曲がって 目に届きます。ところが、私たちの脳はそれを知りません。
- 脳は「光は まっすぐ 飛んでくるはず」と思い込んでいる。
- そこで、目に届いた光をそのまま後ろに延ばした位置に「物がある」と判断する。
- その結果、本当の位置よりも 水面に近い（浅い）位置 に物があるように見える。
ストローが折れて見えるのも同じです。水中にあるストローの下半分から出た光は、水→空気で曲がってから目に届きます。脳は曲がる前のまっすぐな道筋を想像するので、水面より下の部分が 本当より浮き上がって 見え、まっすぐなはずのストローが境目でカクッと折れたように映るのです。
全反射 ── ある角度を超えると光が出てこない
水中（やガラス内）から空気に光が出るとき、入射角を 少しずつ大きく していくと、面白いことが起きます。
- はじめは、屈折角は入射角より大きいながらも光は空気に出ていく。
- あるところで 屈折角がちょうど90° になる。光は水面ぎりぎりを這うように進む。
- それ以上、入射角を大きくすると、光は空気側へ出られず、境目で完全に反射してしまう。
・水→空気の臨界角：約 49°
・ガラス→空気の臨界角：約 42°
- 全反射は 光が密な物質から疎な物質へ進むとき だけ起きます。
水→空気、ガラス→空気は起きる。 - 逆方向（空気→水、空気→ガラス）では 絶対に起きない。
光ファイバーの仕組み
全反射は実用上もっとも大事な応用が 光ファイバー です。インターネットの大容量回線、医療の内視鏡、家庭の光回線まで、現代社会のあちこちで使われています。
- 髪の毛より細い透明なガラス（または特殊樹脂）の繊維の中を、光が斜めに進む。
- 光がファイバーの内壁に当たるたびに、入射角が臨界角より大きいため 全反射。
- 反射した光は、また反対側の壁に当たって全反射 ── これをくり返して進む。
- 外に光が漏れないので、エネルギーをほとんど失わずに 長い距離を伝わる。
銅線で電気信号を送るのと違い、光ファイバーは電気的なノイズに強く、たくさんの情報を一度に運べます。あなたが今この記事を見るためのデータも、どこかで光ファイバーの中を全反射しながら届いた光だったかもしれません。
色の屈折 ── 虹の正体
実は、太陽の白い光は いろいろな色の光が混ざった ものです。そして、屈折の角度は色（光の波長）によってわずかに違います。赤は曲がりにくく、紫は曲がりやすい。
雨上がりの空に浮かぶ 水滴の粒 に太陽の光が入ると、屈折 → 内側で全反射 → もう一度屈折 という3ステップを通る間に、色ごとに進む向きが少しずつずれて、外に出るときには色が 分かれて しまいます。これが 虹 です。
虹の赤が外側、紫が内側にあるのは、それぞれの色で曲がる量が違うから。きれいに見える日に空を見上げたら、その奥で水滴のなかの全反射が静かに起きていることを思い出してみてください。
練習問題
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屈折角は入射角より小さい。
光は密な物質である水のなかほどゆっくり進むため、空気→水のように密な側に入るときは、法線に近づく向きに曲がる。よって、屈折角は入射角より小さくなる。
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解答例：魚から出た光は、水から空気に出るときに境目で 屈折 し、法線 から遠ざかる向きに曲がってから目に届く。しかし脳は、光がまっすぐ飛んできたと思い込み、目に届いた光をそのまま後ろに延ばした位置に魚がいると判断する。そのため、本当の魚の位置よりも水面に近い、浅いところに魚がいるように見える。
- 全反射が起きる条件を、光が進む向き（密→疎、疎→密のどちらか）と、入射角の大きさという2つの観点から説明しなさい。
- 臨界角とは何か、簡単に説明しなさい。
- 光ファイバーが、長い距離を光で情報を運べるのはなぜか。「全反射」という言葉を使って説明しなさい。
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(1) 光が 密な物質から疎な物質 へ進むとき（例：水→空気、ガラス→空気）に、入射角が臨界角より大きい 場合に起きる。逆方向（空気→水など）では起きない。
(2) 屈折角がちょうど90°になるときの入射角。これを超えて入射角を大きくすると全反射が起きる。水→空気では約49°、ガラス→空気では約42°。
(3) 光ファイバーは細いガラスの中を光が斜めに進み、内壁に当たるたびに入射角が臨界角より大きいため 全反射 をくり返す。反射した光がほとんどエネルギーを失わずに進むため、長距離でも光で情報を運ぶことができる。
まとめ
- 光が違う物質に入ると境目で曲がる。これを 屈折 という。入射角・屈折角はどちらも 法線 から測る。
- 空気→水（ガラス）：屈折角 ＜ 入射角（法線に寄る）。水（ガラス）→空気：屈折角 ＞ 入射角（法線から離れる）。
- 水中の物が浅く見えるのは、屈折した光を脳がまっすぐ来たと勘違いするから。
- 密→疎の向きに進むとき、入射角が 臨界角 を超えると 全反射（水→空気で約49°、ガラス→空気で約42°）。
- 全反射の応用が 光ファイバー。虹は水滴中の屈折と全反射によって色が分かれて見える現象。