反射、屈折、回折

波の導入

波は物理学においてエネルギーが媒体を通じて伝播する現象であり、興味深いものです。水の波、音波、光波など、さまざまな形で観察されます。波の挙動を理解することは、多くの自然現象や技術的応用を理解するのに役立ちます。

反射

反射は、波が表面や境界にぶつかり、元の媒体に戻る現象です。これは水の波、音波、光波など多くの種類の波で観察される一般的な特徴です。反射のキーとなる原則の1つは、入射角と反射角が等しいということです。

鏡に落ちる光波を考えてみましょう。光波は入射角と呼ばれる角度で鏡に当たり、その後反射角と呼ばれる角度で鏡に当たります。これらの角度は、鏡の表面に垂直な線、つまり法線に対して測定されます。

入射角 = 反射角 θi = θr

画像の視覚化

反射の例

反射の一般的な例はエコーです。大きな平らな表面（建物や岩など）に向かって叫ぶと、音波が耳に反射して戻り、エコーが聞こえます。

光が鏡に反射する場合なども光学での反射が見られます。この原則は潜望鏡の設計に使用され、障害物の上や周りを見ることができます。

屈折

屈折は、波がある媒質から他の媒質に移り、速度が変化することで波の方向が変わる現象です。これは、波が異なる媒質で異なる速度で進むために起こります。2つの媒質の境界での速度の変化が波を曲げ、これが屈折と呼ばれます。

屈折を支配する法則はスネルの法則と呼ばれ、入射角と屈折角をそれぞれの媒質における波の速度に関連付けます:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

ここで、n1とn2はそれぞれの媒質の屈折率であり、θ1とθ2は入射角と屈折角です。

屈折の視覚化

屈折の例

屈折の古典的な例は、ガラスの水に差し込まれたストローです。横から見ると、ストローは水面で折れたり曲がったりしているように見えます。これは、光が空気から水に、またその逆に進むと曲がるためです。

屈折は虹のような現象の原因でもあります。太陽光が大気中の雨粒を通過する際に屈折し、光をそれぞれの色に分散させて虹を作ります。

回折

回折は、障害物や穴を通過するときに波が曲がる現象です。反射や屈折が表面との相互作用や媒質間の移行による波の方向の変化を伴うのに対し、回折は波が縁やスリットに遭遇したときに広がる様子を示します。

回折の大きさは、障害物や穴のサイズと波の波長との関係に依存します。波が小さな隙間を通過するか、小さな障害物の周りを曲がると、隙間や影の領域から波面が一連に広がります。

回折の視覚化

回折の例

回折は、音波が角を曲がるときに見られます。別の部屋から誰かが話すと、その声がまだ聞こえるのは、音波がドアを通過するときに広がるためです。

もう一つの例は、光が狭いスリットを通過するときに現れるパターンです。この原則は、光を異なる波長や色に分離するために使用される回折格子に使用されます。