光の分散プリズムシミュレーターガイド

物理学中級所要時間: 3 分

概要

1666年、ニュートンは暗室で太陽光線を三角プリズムに通し、壁に虹のように鮮やかな7色のリボンを映し出しました。この実験は、「光は純粋で単一の実体である」という伝統的な認識を完全に打ち砕きました。この実験では、ニュートンの古典的な発見を追体験し、三角プリズムによる白色光の分解プロセスをシミュレートして、異なる単色光の屈折特性のわずかな違いを探求します。

背景

ニュートン以前は、白色光が最も純粋であり、色は物体による光の何らかの「汚染」によって引き起こされると広く信じられていました。ニュートンは有名な「プリズム実験」を通じて、白色光が実際には異なる色の光の混合物であることを証明しました。さらに巧みなことに、彼は2番目のプリズムを使用して7色の光を再び白色光に再結合し、光の分散理論を反論の余地なく確認しました。この発見は分光学への扉を開き、数十億光年離れた星の組成さえも分析できるようになりました。

基本概念

光の分散 (Dispersion)

複合光が単色光に分解する現象。白色光がプリズムを通過した後、赤、橙、黄、緑、青、藍、紫の7色に分解されます。

スペクトル (Spectrum)

複合光が分解された後に波長（または周波数）の順に並んだ色付きの光の帯。これは白色光の「指紋」です。

屈折率と周波数/波長

n_{\text{violet}} > n_{\text{red}}

媒質の屈折率は、光の色によって異なります。周波数が高く波長が短い光（紫色光など）は、屈折率が大きく、より大きく偏向します。

公式と導出

偏角と屈折率の関係

\delta \propto n - 1

ガラスの紫色光に対する屈折率

n

の方が大きいため、プリズムを通過する際に紫色光が元の進行方向からずれる角度（偏角）

\delta

が最大になり、赤色光が最小になります。

実験手順

1
ニュートンの実験を再現
白色光線が三角プリズムに入射するプロセスを観察します。プリズムの最初の境界面で光に何が起こりますか？プリズムに入った後も光線は白いままですか？
2
偏角を探る
「入射角」スライダーをドラッグして、光の入射方向を変更します。プリズムから出る色付きの光の帯を注意深く観察してください。どの色の光が最も偏向しますか（位置が最も低い）？どの色の光が最も偏向しませんか？
3
スペクトルの配列を比較
7色の順序（赤、橙、黄、緑、青、藍、紫）を記録します。それらの波長データを比較して、屈折率の大きさと波長の間にどのようなパターンが見つかりますか？
4
不可視光を探る
「赤外線を表示」と「紫外線を表示」をクリックします。それらはスペクトルのどの領域に位置していますか？この分布から、赤外線が顕著な熱効果を持つ理由を推測できますか？

学習目標

白色光が赤、橙、黄、緑、青、藍、紫の7つの単色光で構成される複合光であることを確認する。
分散後のスペクトルの配列順序とそれが表す偏向能力の違いを習得する。
プリズム分散の原理を理解する：同じ媒質でも波長の異なる光に対して屈折率が異なる。
スペクトル内の不可視領域（赤外線領域と紫外線領域）を認識する。

応用例

虹：雨上がりの空気中の小さな水滴に太陽光が入射し、屈折、反射、再屈折を経て分散現象が発生します。
スペクトル分析：科学者は、遠くの星が放出するスペクトルを分析することで、その構成要素を特定できます。
光ファイバー通信：分散補償技術を使用して、長距離伝送における信号の完全性を確保します。
宝石鑑定：ダイヤモンドの高い分散値（ファイア）はその美しさの重要な理由であり、真贋判定にも使用できます。

よくある誤解

誤解

プリズムは光に色を「染める」。

正解

間違いです。プリズムは、白色光の中にすでに存在するさまざまな単色光を異なる屈折経路を通じて「選別」しているだけであり、新しい色を作り出しているわけではありません。

誤解

赤外線は赤色で、紫外線は紫色である。

正解

間違いです。赤外線と紫外線はどちらも肉眼では見えません。私たちが通常ヒーターから見る赤い光は、赤外線そのものではなく、付随して発生する可視の赤色光です。

参考文献

準備はいいですか？

基礎知識を理解したら、インタラクティブな実験を始めてみましょう！

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