屈折と全反射のシミュレーター

屈折シミュレーターの使い方

1. 光が出発する物質と入る物質を選び、入射角を設定します。光線は境界でスネルの法則に従って曲がり、弱い反射光が戻り、白い点は密な物質の中で光が遅くなる様子を示します。破線は法線で、すべての角度はここから測ります。
2. 水、ガラス、ダイヤモンドから空気へ出る設定にして角度を大きくしてください。屈折光は面に沿って寝ていきながら暗くなり、臨界角を超えると消えます: すべての光が反射します。「角度を往復させる」にチェックすると変化を見られ、グラフでは反射の割合を追えます。グラフには、入射面内で偏光した光がまったく反射しないブルースター角も示されます。
3. プリズムに切り替えて「白色光」にチェックすると光線が色に分かれ、光ファイバーに切り替えると全反射で閉じ込められた光と、入射が急すぎて漏れ出す光を見られます。レンズと鏡については レンズと鏡のシミュレーター が光線図を描きます。

よくある質問

スネルの法則とは何ですか?

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂: 屈折率と法線からの角度の正弦の積は、境界の両側で等しくなります。屈折率 n は物質中で光が真空中より何倍遅く進むかを表し、水は 1.33、ガラスは約 1.5 なので、空気からガラスに入る光は法線側に曲がります。

臨界角とは何ですか?

密な物質から光が出られなくなる入射角で、sin θ_c = n₂ ÷ n₁ です。水から空気へは 48.6°、ガラスからは約 41°、ダイヤモンドからは 24.4° で、ダイヤモンドは臨界角が小さいためカットした石の中に光が閉じ込められ、輝きます。これを超えるとすべての光が反射します: 全反射です。

プリズムはなぜ白色光を分けるのですか?

ガラスの屈折率は赤い光より紫の光でわずかに大きく (分散)、紫は各面でより強く曲がります。クラウンガラスの屈折率は 400 nm で約 1.531、700 nm で 1.513 で、60° のプリズムから出る光を約 2° に広げるのに十分です。シミュレーションでは各物質にコーシーの式 n = A + B ÷ λ² を使っています。

光ファイバーはどうやって光を運ぶのですか?

全反射によってです。光は屈折率の低い物質に囲まれたガラスのコアを進み、毎回臨界角を超える角度で側面に当たるので、外に漏れません。光は受光角の内側から入る必要があり、受光角は開口数 NA = √(n_コア² − n_クラッド²) で決まります。実際のファイバーではクラッドの屈折率はコアより約 1% 低いだけで、受光角は約 12° になります。

WebGL が無効と表示されます。

3D 表示には WebGL が必要で、現行のブラウザはすべて対応しています。ブラウザ設定でハードウェアアクセラレーションが無効になっているか、グラフィックドライバーが非常に古いと無効になることがあります。ハードウェアアクセラレーションを有効にするか、別のブラウザをお試しください。

何かアップロードされますか？

いいえ。シミュレーションはお使いのブラウザが WebGL で描画しています。どこにも送信されず、ページを一度読み込めばオフラインでも動きます。