【光と音02】光の反射・屈折(2) 虹

ガラスでできた正三角柱をプリズムというのですが、そいつを太陽の当たるところに立てて、角度(置き方)をいろいろ変えてみる。すると、あるところで画像のようにカラフルな光が出てきます。
入射光がわかりにくいですが、影の反対側から光が入ったはずですね。
3624-1.jpg
この現象から、太陽の光のような白い光は、赤や黄色、緑や青、紫などたくさんの色の光でできていることが分かります。

そしてこれは、虹を思い出しますよね。
1353-5.jpg 

課題:虹はどうやってできるのだろうか



冒頭の実験は、角度とかの条件はありますが、基本的に必要なものとしては太陽光とプリズムだけのようです。
虹の場合、晴れているときですから太陽光はありますね。でも、三角形のガラスなんかはどこにもありません。
では、プリズムの役割をしているものはなんでしょうか。

虹は雨がやんで晴れたときに見られますね。雨…そう、水滴が関係していそうですね。
この水滴がプリズムの役割をして太陽の光を色ごとに分けるのです。光の進み方としては、次回以降に学習する光の反射屈折が関係してます。
3624-2.jpg

でも「水滴は球じゃん、プリズムみたいに三角形じゃないよ」という声にお応えし、次の図を用意した。
虹の仕組みを説明sたサイトは副虹とか難しめの話はするんだけど、意外にこういう素朴な疑問には対応してなかったりする。
3624-3.jpg

重ねてみるとこんな感じ。
3624-4.jpg

でもこの図だと、上の方が紫で下の方がい光です。ふつうの虹は赤いほうが高いよね。これはどういうことでしょうか。
はい、これも実は丁寧な解説が必要なところです。
ここまでの話で一つ見落としていることがあって、水滴はたくさんあるということです。
3624-5.jpg
この図だと、赤が上になっていますね。なお、水滴を巨大に書いているので、2つの水滴(赤い円と紫の円)が重なってしまっていますが、実際の水滴はずっと小さいので離れていると考えてください。それはともかく、虹を見ている目に一緒に入ってくる赤い光と紫の光は、ちょっとずれた位置にある太陽光が、別の水滴で屈折や反射して、同じ目に届いているからです。

ちなみに、太陽光と目の角度は赤い光が42°、紫の光が40°になります。ここから、虹は太陽の反対側を中心とした半径約40~ 42°の方向に現れ、外側が赤色で一番内側 が紫色に見えるのです。
3624-6.jpg

結論:虹は、空気中に浮かんでいる水の粒がプリズムの役割をして、太陽の光が屈折や反射させることでできる。



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