プリズムはなぜ光を分離できるのですか?
プリズムの正体(原理)はなんですか?
教えてください.

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青短」に関するQ&A: 青短or神田外語or日大

A 回答 (3件)

プリズムが光を分離できる原理は、屈折率の詳細を知る必要がでてきます。


ここで詳しく説明するのはちょっと難しいですね。

光は電磁波ですから、電場(と磁場も)が空間を振動して伝わるものです。
光が物質(たとえばプリズムにでも)にぶつかると、物質中の電荷が力を受けることになります。
で、もっとも軽い電子がもっとも影響を受けるため、電場とともに物質中の電子が振動します。
電子の運動は、新たに電磁波を生じることになります。
ここで忘れてはならないのが、物質中の電子は、全く自由に存在しているのではないということです。
物質中の電子は、それ特有の束縛を受けて存在し、しかし止まってはおらず、振動していると考えることができます。
したがって、物質中を進行する光は、この光の振動数と物質固有の電子の振動数の両方に依存して変化することになり、それは屈折という現象で現れます。
つまり、屈折率は、光の振動数と物質固有の電子の振動数の両方に依存するのです(一般式もあります)。

振動数は波長と反比例の関係にあるので、波長の違いが屈折率の違いに現れます。

この関係から、プリズムのように可視光を考える場合、(可視光の振動数)<<(電子の振動数)という条件のとき、
hero1000さんとinorganicchemistさんが言われているように、波長が長い光ほど屈折しない、ということを導くことができます。
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別にプリズムという物質があるわけではありません。


三角柱の形をそう呼んでいるのです。

安っぽい六角形のボールペンのプラスチックの部分でも、
中に気泡が入らないようにして作った氷の三角柱でも

何でも光を分離できます。

光は空気と水、ガラスと空気などのように
不連続な面に当たると、屈折します。このとき
波長が長い光ほど曲がりにくく、波長が短いほど
曲がりやすいのです。このようにして、波長の長い光(赤)
と短い光(青)は分けられるのです。

ちなみに交通信号の止まれが赤な理由の一つは
赤い光が直進性に優れているからです。
ほかにも生理的な理由があるそうですが。
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プリズムは2回以上光を屈折させることで光の波長成分ごとの屈折角を増大させ


る作用を持った「屈折角増幅装置」です。

波長の異なる光を密度が異なる境界面に斜めに入射させると、波長の短い光ほど
大きな屈折角で屈折するという原理に基づいているので、光の色(波長の違い)
を分離できるわけです。

しかし板ガラスのような平板状ですと、一度分かれた光の成分が出ていくときに
また平行に戻されてしまうためほとんど分光の作用はありません。
そのためプリズムは多くが三角柱か三角錐状になっています。

空気よりも密度が高いもので、なおかつ透明度が高いものならばなんでもプリズム
としての機能を持たせることは可能です。ガラスでもプラスチックでもプリズム
を作れます。

雨上がりに見られる虹は、空気中の水分がプリズムの役割をしてできるものです。
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Q屈折率と波長と周波数の関係について

はじめまして。
ちょっと困っているので助けてください。

屈折率は入射光の波長に依存しますよね?
一般的な傾向として、波長が長くなると
屈折率は小さくなりますよね?
それで、このことを式で説明しようとしたんですが、

屈折率は真空の光速と媒質中の光速の比なので、
n=c/v
媒質中の光の速度、位相速度は
v=fλ
で、周波数と波長に依存します。

ところが!波長と周波数は逆数の関係なので、
この二つの式を使ってしまうと
屈折率が波長に依存しないことになってしまうのです・・・。
どうかこのあたりの説明をおしえてくださいませんか。
よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

ekisyouさん、改めまして初めまして。
ご指摘のようにfとνは全く同じものです。同じ物理量に異なる文字を使ってしまったのは私のミスです、申し訳ありませんでした。また「振動数」「周波数」の二つの言い方を用いましたがこれもどちらでも同じことです。ekisyouさんのこれまでのお考えで正しいです。

前回の回答をもう一度正しく書くと
--------
n=c/v
が屈折率の定義そのものである。真空中の光速cは不変であるからnが波長(または周波数)依存性を持つとしたら媒質中の光速vが周波数依存性を持つことになる。従ってこの式は周波数をfとして
n=c/v(f)
と表すべきものである。
二番目の式
v(f)=fλ
で、vに周波数依存性があることを考えるとfとλは厳密な反比例な関係でない。
--------
となります。大変失礼を致しました。

なお上記の式だけからでは「赤い光の方が紫の光より屈折率が小さくなる理由」は絶対に出てきません。
その理由を説明するためにはどうしても電場中での媒質の分極を考える必要があります。屈折の原因は既にご承知とのことですので、あとはその部分の理解を深めて頂くのみです。
(1)光が媒質中を通過する場合、周囲の媒質を分極させながら進む。
(2)可視光線の範囲であれば、周波数が高くなるほど分極の影響により光は進みにくくなる。
(3)(2)により光の速度が落ちる、ということは即ち屈折率が上がる、ということである。

(2)ですが、共振現象とのアナロジーで考えれば分かりやすいと思います。いまある物体を天井からひもで釣るし、それにさらに紐を付けて手で揺らすこととします。(A)ごくゆっくり揺らす場合は手にはほとんど力はかけなくて済みます。(B )ところが揺らす周期を短くするとだんだんと力が要るようになります。(C)さらに周期を短くして共振周波数に達すると急に力は要らなくなります。(D)そしてさらに揺らす周期を短くしようとすると、あたかもその錘に引張られるような感覚を受けます。(E)そしてさらにずっと周期を短くすると、錘はまったく動かずに錘と手を結んでいる紐だけが振動するようになります。
可視光線はちょうどこの中で(B)の領域になります。すなわち周波数を高くすると、それにつれて周囲の分極があたかも「粘り着く」ようになり、そのために媒質中の光の速度が落ちるのです。(もっとも、「粘り着く」なんて学問的な表現じゃないですね。レポートや論文でこんな表現をしたら怒られそう・・・)

こんな説明でよろしいでしょうか。

参考となりそうなページ:

「光の分散と光学定数の測定」
http://exciton.phys.s.u-tokyo.ac.jp/hikari/section2.htm
同、講義ノート(pdfでダウンロード)
http://exciton.phys.s.u-tokyo.ac.jp/kouginote/opt2k.html

"Kiki's Science Message Board" この中の質問[270]
http://www.hyper-net.ne.jp/bbs/mbspro/pt.cgi?room=janeway

過去の議論例(既にご覧になっているかと思いますが)
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=140630

ekisyouさん、改めまして初めまして。
ご指摘のようにfとνは全く同じものです。同じ物理量に異なる文字を使ってしまったのは私のミスです、申し訳ありませんでした。また「振動数」「周波数」の二つの言い方を用いましたがこれもどちらでも同じことです。ekisyouさんのこれまでのお考えで正しいです。

前回の回答をもう一度正しく書くと
--------
n=c/v
が屈折率の定義そのものである。真空中の光速cは不変であるからnが波長(または周波数)依存性を持つとしたら媒質中の光速vが周波数依存性を持つことにな...続きを読む

Qなぜ三角のプリズムだと虹ができて、丸いプリズムだとだめなのでしょうか?

丸い表面でも、光が屈折して、虹色を出すように思えるのですが、
どなたか説明して頂けると幸いです・・・

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http://m8view.exblog.jp/8047298/

色収差の説明(Wikipedia)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%89%B2%E5%8F%8E%E5%B7%AE
色によって焦点の位置が違うことに注意してください。白紙の位置によって虹ができることがわかると思います。

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>ピットでは実際何が起きているのですか?

実際に反射が起きています。ただ、反射をちゃんと説明するのは結構むずかしいです。

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単純過ぎてごめんなさいです・・・素人の疑問なんですが・・・

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Aベストアンサー

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つまり同一位相の面に垂直に進む。

回折現象が示すように、素元波は
あらゆる方向へ進もうとします。
しかし、その殆どの方向は干渉によって
刈り取られ、光の進む方向は限定されます。


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