見えない世界、光

みなさん、こんにちは。

第六回は波動の後半についての説明と解説を行っていきたいと思います。

今回は光がメインとなります。

一つ目は光の波長です。波動の光の分野において、波長は必ず何かしらの要素として組み込まれています。そして、波長を要素として扱う問題につきものなのが、それは可視光ならば赤寄りなのか紫寄りなのか、ということです。可視光において赤色光は波長が約7.7×10^-7mと波長が一番長く、紫色光は波長が約3.8×10^-7mと一番短い。この長さが重要です。光の問題において白色光を使っている場合、光の分散が起きる場合があります。そうするとよく聞かれるのが、できた像において赤色光および紫色光がどこにあるかです。このようなときに少なくとも波長が長いか短いかを知っておかなければ、最終的な答えを求めることができません。可視光のスペクトルをある程度は覚えておくことが大切です。

二つ目は光路長についてです。光路長は光学距離とも呼びます。光路長においてよくあるのが、屈折率の影響を受けるのはどの要素かという事です。極端に言ってしまえば周波数並びに周期には影響がない、という事になります。屈折率nの物質中での光の速さをvと置いたとき、屈折の法則からc/v=nとすることができます。これより、物質中の光の速さは真空中よりも遅いことがわかります。そのため、光が距離lだけ進むのにかかる時間が真空中ではl/cではあるが、屈折率nの媒質中ではl/v=nl/cとなり、真空中のn倍になります。これより、屈折率nの媒質中の距離lは真空中の距離nlに相当するという事がわかります。このとき、波の個数と通過時間は変わりません。つまり、屈折率の影響を受けるのは速度と波長なのです。物質内での波長はλ’=λ/n、速度はv’=V/nとなります。周波数および周期は変わらないことに注意しましょう。

三つめは反射に起こる、位相の変化についてです。光が反射する際、屈折率の高いところから低いところへの境界面での反射は、自由端反射扱いとなり位相の変化はありません。ですが、屈折率の低いところから高いところへの境界面での反射は固定端反射扱いとなり、位相がπだけ変化します。この仕組みでややこしくなるのが、光の干渉です。反射するときに自由端反射である場合は干渉時において、何ら問題はないのでそのままで解くことができるのですが、固定端反射のときは、片方が位相πだけズレるという事があり、式が変形することがあります。十分に注意しましょう。

次回は電磁気学の前半についてまとめたいと思います。

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