ストローが曲がるナゾを解け！光のシミュレーターで体験する「屈折」の世界（Scratch）

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

皆さんは、コップに入れたストローが「カクッ」と折れ曲がって見えたり、プールの底が実際よりも浅く見えたりして不思議に思ったことはありませんか？実はこれ、「光の屈折」という現象が引き起こす、光のいたずらなんです。今回は、そんな光の不思議な動きを直感的に動かして学べるシミュレーション教材を作成しました。まずは、こちらのシミュレーターを自由に触って、光を操ってみてください。

光が曲がるのは「スピード」の変化のしるし

このシミュレーターでは、上の境界が屈折率１の「空気」、下の境界が初期値1.33の「水」に設定されています。

光は、進む場所（媒質）によってその「速さ」が変わります。空気中に比べて、水の中は光にとって少し「進みにくい」場所なのです。例えるなら、舗装された道路（空気）を走っていた車が、急に砂浜（水）に突っ込むようなもの。斜めに砂浜へ入ると、先に砂に入ったタイヤだけがブレーキをかけられるため、ガクンと向きが変わりますよね？これが屈折の正体です。

「全反射」が起きる特別な条件を探そう

さて、ここからがこの実験の面白いところです。光を当てる向きを変えてみましょう。

空気から水に向かって光を当てたとき、どんなに角度をつけても光は水の中へと入っていきます。しかし、「水の中から空気に向かって」光を放つと、ある瞬間、不思議なことが起こります。

ある角度（臨界角）を超えると、光は空気中へ出ることができず、すべて水面で跳ね返ってしまいます。これが「全反射」です。

私たちの生活を支える光の技術

「水の中に光が閉じ込められるなんて、ただの遊びじゃないの？」と思うかもしれません。でも実は、この全反射こそが、現代の私たちの生活を支える「光ファイバー」の技術に使われています。細いガラスの管の中で光を何度も全反射させることで、情報を遠くまで一瞬で届けることができるのです。皆さんが今、この記事をインターネットで読めているのも、実はこの全反射のおかげと言っても過言ではありません。

シミュレーターの下にあるボタンを使えば、媒質の種類をダイヤやガラスに変えたり、屈折率を自由にカスタマイズしたりできます。ダイヤがなぜあんなに美しく輝くのか、そのヒントもこのシミュレーションの中に隠されていますよ。ぜひ、光が外に逃げ出せなくなる「臨界角」が何度なのか、実験して突き止めてみてくださいね！

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