反射の法則バーチャルデモ ガイド

概要

光が物体の表面に当たって進行方向を変える現象を光の反射と呼びます。私たちが輝く太陽や、自ら発光しない月や周囲のあらゆる景色を見ることができるのは、反射のおかげです。この実験では光学実験台をシミュレートします。レーザー光線の入射角を制御することで、「三線が同一平面上にあり、二線が法線の両側に位置し、二つの角が等しい」という反射の法則を帰納し、検証します。

背景

• 古代ギリシャ：ユークリッドは『反射光学』で最初に反射の法則を提案し、入射角は反射角に等しいと述べました。
• イスラム黄金時代：アルハゼンは光の反射と屈折をさらに体系的に研究し、現代光学の実験的基礎を築きました。
• 近代：フェルマーは「フェルマーの原理」（光は最小時間を要する経路を進む）を提案し、理論的な高さから反射の法則を完璧に導き出しました。

基本概念

公式と導出

実験手順

1. 1

   光源をオンにする

   「レーザースイッチ」をクリックして光源をオンにします。赤いレーザー光線が下の平面鏡に向かって発射されるのが見えます。
2. 2

   入射角を変える

   レーザーポインターの丸いハンドルをドラッグします。入射光線の位置を変えると、反射光線も同期して振れることに気づくでしょう。
3. 3

   対称性を観察する

   「角度を表示」と「法線を表示」にチェックを入れます。入射光線と反射光線が、その破線（法線）に対して常に対称であるかどうかを観察します。
4. 4

   データの要約

   角度を複数回変更します（例：$30^\circ$、$45^\circ$、$60^\circ$ に調整）。両側の値を記録して比較し、$r$ が常に $i$ に等しいかどうかを検証します。

学習目標

• 光学実験における法線の基準としての役割を理解する
• 入射角が大きくなるにつれて反射角も大きくなり、その値が常に等しいことを確認する
• 入射光線と反射光線が法線の両側にあることを明確にする
• 光が鏡の表面に垂直に入射する場合（入射角が $0^\circ$）、反射光線は元の経路に沿って戻ることを認識する

応用例

• 鏡：平面鏡による結像原理を利用して身だしなみを整える
• 自転車の尾灯：内壁は互いに直角な小さな平面鏡で構成されており、多重反射を利用して車のヘッドライトからの光を元の経路に沿って運転者の目に戻す
• 潜望鏡：2枚の平行な平面鏡を使用して光の経路を変え、水中や塹壕内の人々が地上の状況を観察できるようにする

よくある誤解

参考文献

• ウィキペディア - 反射 (物理学)