seegongsik
高校1~高校2年生 (15-17歳)

全反射と光通信

Total Internal Reflection

角度が大きいと光が閉じ込められる
20°
👀 目で見る
①密な媒質(屈折率が大きい側)から疎な媒質へ光が出る
②入射角が大きいほど屈折光は境界面に寝る
③臨界角を超えると光はすべて跳ね返る — 全反射
屈折と臨界角
屈折の法則(スネル)
n1 sinθ1 = n2 sinθ2
屈折率 × サインは境界の両側で等しい
臨界角
sinθc = n2n1 (n1 > n2)
屈折角が 90° になる入射角 — これより大きいと全反射
全反射の条件と光通信
🔦 二つの条件が必要
①密な媒質 → 疎な媒質(n₁ > n₂)
②入射角 > 臨界角
③光ファイバーはコアがクラッドより密で、全反射で光を閉じ込めて送る
直接求めてみる
例題 1
屈折率 2 の媒質から空気(屈折率 1)へ光が出るときの臨界角を求めよ。
1
sinθc = n₂/n₁ に代入する。
sinθc = 12
2
サインが 1/2 の角を求める。
θc = 30°
▸ 30°
臨界角は sinθc=n₂/n₁ であり、屈折率を逆にしないこと。
例題 2
屈折率 √2 の媒質から空気へ光が出るときの臨界角を求めよ。
1
sinθc = 1/√2。
2
サインが 1/√2 の角を求める。
θc = 45°
▸ 45°
屈折率が小さいほど臨界角は大きくなる(全反射しにくい)。
まとめ
中心となる結果
sinθc = n2n1, 入射角 > θc ⇒ 全反射
密→疎で臨界角を超えると全反射 — 光ファイバーの原理
2021 修能 科学探究(物理Ⅰ) 類題
ある媒質から空気へ光が出るとき臨界角が 30° だった。この媒質の屈折率は?
①1.5
②√2
③√3
④2
⑤2.5
▸ ④ 2
1
sinθc = 1/n から n = 1/sinθc。
n = 1sin30° = 11/2
2
計算する。
n = 2
🎯 試験ポイント
①スネルの法則 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂
②臨界角 sinθc=n₂/n₁ (n₁>n₂)
③全反射は 密→疎 かつ 入射角>臨界角
④屈折率が大きいほど臨界角は小さい
⑤光ファイバー=コア(密)+クラッド(疎)
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