プリズムは光を曲げる：偏角
1 · 予測
ガラスプリズムに入る光は各面で屈折し、元の方向から偏って出ます。第1面の入射角を変えると、全偏角は常に同じ向きに変化しますか？
- 入射角が増えると偏角は常に増えます。
- いいえ。偏角は特定の入射角で最小になり、単純な増加／減少ではありません。
- 入射角が増えると偏角は常に減ります。
2 · 準備
- white-light-prism プリセットを開いて Reset を押します。クラウンガラスの頂角 A = 60°、屈折率 n = 1.5 です。
- 全偏角読み出しを有効にします。
- 各試行で第1面の入射角を設定し、全偏角を記録します。
3 · データ収集
| 入射角 θ₁ (°) | 全偏角 δ (°) |
|---|---|
| 38.00 | |
| 48.00 | |
| 58.00 |
3回の試行について偏角 δ（縦軸）を入射角 θ₁（横軸）に対してプロットします。中央付近で最小になりますか？
4 · 分析
- θ₂ = asin(sin θ₁/n)、θ₃ = A − θ₂、θ₄ = asin(n·sin θ₃)、δ = θ₁ + θ₄ − A を計算し表と比較します。
- 2つの面で曲がるプリズムの幾何により、偏角が単調でなく対称通過角で真の最小を持つ理由を説明します。
5 · 発展
- 白色光は波長ごとに少し異なる屈折率を持つため色ごとに異なる偏角となりスペクトルに分かれます。この実験は代表的な単一屈折率を使います。
- 虹は球形の雨滴内部で太陽光が屈折・内部反射する現象です。平面プリズムより複雑ですが同じ波長依存の分散原理です。
この実験の物理
プリズムの偏角
光線は両面で屈折し、全偏角は2つの曲がりと頂角から δ = θ₁ + θ₄ − A で決まります。θ₂ と θ₄ は各面のスネルの法則から得ます。