屈折率 空気 温度 光

「音速は、冷たい空気中より暖かい空気中のほうが大きい。
暖かい空気は冷たい空気より屈折率が大きい。」

と本にありました。

一方、
「光が空気から水へ入射する場合、光の速さが小さくなるので水は空気より屈折率が大きい。」

と認識しております。

この二つは矛盾してないでしょうか・・・。

No.4 ベストアンサー 回答者： htms42 回答日時： 2008/08/29 20:48

媒質によって波の進む速さが変わると屈折が起こります。

速さが遅くなると境界面から離れる方向に曲がります。これは光でも音でも同じです。波の一般的な性質です。
水とか空気が問題なのではなくて速さがどう変わるかが問題なのです。
「温度の高い空気のほうが音は速く進む」、
「空気中よりも水の中の方が光は遅く進む」、
これがどうして矛盾ですか。
光は真空中が一番速いです。
音は真空中では伝わりません。
波を伝える仕組みが違うのです。

空気中の音速は温度だけで決まります。空気の密度には関係しません。

大気の上層に電離層というのがあります。密度は非常に小さいですが温度は高いです。地上での大きな音が電離層で跳ね返ってくることで遠くはなれた音が聞こえるという現象があります。上空に温度の高い所があるから跳ね返ってくるのです。
電離層が発見されたのはこの現象がきっかけです。
積極的に調べられたのは第１次世界大戦のあとです。敗戦国ドイツの火薬を処分するのを実験に利用したのです。ヨーロッパ中に観測網をしきました。聞こえる場所が数百ｋｍ間隔のドーナツ型になったのです。
日本では会津磐梯山の噴火の音が東京で聞こえたという記録があるそうです。

気体の種類を変えると音速は変わります。
水の中では空気中よりも音は速く伝わります。
同じ空気中であれば密度が変わっても音速は変わりません。温度だけで決まります。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9F%B3%E9%80%9F
温度と分子量で表した式、圧力と密度で表した式の２つが載っています。ごっちゃになっているようですね。

この回答へのお礼

「温度の高い空気のほうが音は速く進む」、
「空気中よりも水の中の方が光は遅く進む」、

この件に関してはこれまでの回答者さんのおかげで解決、認識したしました、詳しい説明、ありがとうございました。


質問が正確に伝わってないかもしれませんが、改めて言いますと、僕がここで矛盾と指摘しているのは、「屈折率が大きい」という点です。

音速に関して暖かい空気は冷たい空気より屈折率が大きいと書かれていることが間違いだと、賛同していただけるでしょうか。

お礼日時：2008/08/29 23:21

No.6 回答者： walkingdic 回答日時： 2008/08/30 07:51

>>

「冬の夜には地面近くのくうきが冷えて、上空の空気がそれよりも暖かいということがときどき起こります。この場合、地上で発生した電車などの音は上空に行くと大きく屈折して再び地上に戻ってきます」
<<
これは音波の屈折の話を記述したものですから光でいうところの屈折とは関係がありません。なので、

＞「屈折率が大きいので遠くに届く」
これは光で使う屈折率とは全く関係ない話です。
これが読者の混乱を招いたのだろうと思います。

物理学用語では屈折率というのは光の屈折率を意味するし、音に対する屈折率という物理量は定義されていません。
なのにそういう言葉を使ったのが間違いですね。

音の場合、音速の逆数が光の屈折率と同じ意味を持ちます。
つまりそうすると、

「音速は、冷たい空気中より暖かい空気中のほうが大きい。
暖かい空気は冷たい空気より屈折率が大きい。」

の文章は、仮に「屈折率」を音の屈折率と考えても間違いです。
音速が速い－＞屈折率は小さい

とならねばなりません。

この回答へのお礼

>物理学用語では屈折率というのは光の屈折率を意味するし、音に対する屈折率という物理量は定義されていません。

なるほど、そうなんですか、これからはそういう前提で捕らえていきます。
これで混乱がなくなりそうです。

しかし、本の間違い、これが最大の原因ですよね。

お礼日時：2008/09/01 07:56

No.5 回答者： htms42 回答日時： 2008/08/29 23:10

＃４です。

＞やはりこの本の間違いのようだと思われます。

挙げられている例はたいていの教科書に載っているものです。上空ほど温度が高いということで速さに違いが生じ進行方向が曲げられます。

＞屈折率が大きいので遠くに届く
という説明があるのであれば
＞音の進行方向が曲げられるということと、屈折率が大きいということを勘違いしているように見受けられます。
という指摘は正しいように思います。

体育祭で行進する場合を考えてください。
４列縦隊だとします。右に曲がる時は右側にいる人がゆっくり歩いて左側にいる人が速く歩きます。
上空ほど温度が高くなっていると上の方が音波の伝わる速さは速いです。斜め下からやってきた音波は上側を外側にするように進行方向が曲がります。

光の場合で言うと遅い方から速い方に進むというのは水の中から空気中に進む場合です。
境界面に近づく方向にまがりますから戻る方向というイメージと合います。（逃げ水はこれで説明しています。）
ところが屈折率は境界面から離れる方向にまがる現象が起こる媒質に対して大きいと定義していますから逆になります。
（空気中から水の中に入るときのまがり方です。速さの遅い方で面から離れる方向にまがります。）

単にまがり方が大きいではなくてどちらにまがるということで言わなくてはいけないのです。

この回答へのお礼

ご賛同いただきありがとうございます。

出版社に問い合わせようかと思ってました。


今回の件で、音速は空気中より水中のほうが大きい、光速は空気中より水中のほうが小さいということがわかりました。

ということは、屈折率が大きい小さいといっても、音についてなのか光についてなのかによって逆になってしまうということになりますよね。

なので、何の説明もなく単純に屈折率がどうのといってしまうのは正確ではいということになりますが、漠然と屈折率がどうのといっているのをよく見かけます。

「光の屈折率」「音の屈折率」というのが正しいように思いました。

お礼日時：2008/08/30 00:44

No.3 回答者： walkingdic 回答日時： 2008/08/29 16:46

>「音速は、冷たい空気中より暖かい空気中のほうが大きい。

暖かい空気は冷たい空気より屈折率が大きい。」

音速は、圧力Ｐ一定の条件では、331.5 + 0.61Ｔ　（Ｔ：温度）なのでその通りになります。
屈折率ｎは、ｎ－１が空気の密度にほぼ比例します。つまり同じく圧力Ｐ一定で考えると、ＰＶ＝ｎＲＴで密度はｎ／Ｖ＝Ｐ／ＲＴなので、ｎ－１∝Ｐ／ＲＴですから、Ｔに反比例します。つまり温度が高いと屈折率は小さくなります。
つまりその説明は間違っています。

＞「光が空気から水へ入射する場合、光の速さが小さくなるので水は空気より屈折率が大これはその通りですけど、

＞この二つは矛盾してないでしょうか・・・。
前者は空気の温度との関係、後者は空気と水の関係であり、矛盾はないのですけど。

速度を気にしているのでしょうか。
前者の説明で行くと、間違い訂正後の前者では、
　暖かい空気－＞音速は早くなる、屈折率は小さくなるので光の速度は速くなる
　冷たい空気－＞音速は遅くなる、屈折率は高くなるので光の速度は遅くなる
で同じ方向です。とはいえ偶然そうなっているだけといえると思いますけど（まったく違う物理現象ですから）。

ちなみに空気と水を取り上げると、
　空気：音速は遅い、光は速い
　水：音速は速い、光は遅い
と逆になります。

まあこれは根本的に媒質が違うし、速度を決める要素が違うし、伝播原理も違うから当たり前ですが。。。

この回答へのお礼

空気：音速は遅い、光は速い
　水：音速は速い、光は遅い
と逆になります。

遅ればせながら、その点に関しては先ほど調べていて確認できました。

根本的に媒質が違うってことですよね、波だから同じようになるのではという先入観がありました。

問題の本の本文を記載しますと、

「冬の夜には地面近くのくうきが冷えて、上空の空気がそれよりも暖かいということがときどき起こります。この場合、地上で発生した電車などの音は上空に行くと大きく屈折して再び地上に戻ってきます」

と書かれ、図解で
「屈折率が大きいので遠くに届く」

と書いています。

やはりこの本の間違いのようだと思われます。
音の進行方向が曲げられるということと、屈折率が大きいということを勘違いしているように見受けられます。

お礼日時：2008/08/29 19:02

No.2 回答者： Quattro99 回答日時： 2008/08/29 14:37

> 暖かい空気は冷たい空気より屈折率が大きい

間違いなのでは？
http://www.bioweather.net/column/weather/content …
> 冷たい空気の方が密度は高く当然屈折率も大きくなります。

この回答へのお礼

早速の回答ありがとうございます。

そうですよね、やはりそこが間違ってる気がします。

一方で、音と光とでは違うのでは、という問題も気になります。

お礼日時：2008/08/29 15:04

No.1 回答者： Quattro99 回答日時： 2008/08/29 14:34

音と光とでは違うのでは？