【図解あり】光はなぜ屈折する？原理と屈折率をやさしく解説

メガネやレンズ、商品のこと。

公開：2024年8月16日更新：2026年3月31日

みなさんこんにちは！
201号室のなみです。

突然ですが、「光が屈折する原理」を言葉で説明できますか？
中学理科で学んだであろう”屈折”。
いざ言葉で説明しようとすると、意外と難しくないですか😖

今回は光の屈折の原理と屈折率について、図解と実験を交えながら説明します📚

この記事の目次

1 光の屈折とは透明な物質で光が曲がる現象
2 【実験】屈折率の違いで光はどれくらい曲がるのか？🧪
3 実験結果から分かる屈折率の違い
4 まとめ

光の屈折とは透明な物質で光が曲がる現象

光は本来まっすぐに進む性質を持っていますが、
空気中を進む光は、水やガラスなどの”透明な物質”に入ると、進む方向が曲がります。
この現象を「屈折」と呼びます。

身近なものだと、水が入ったコップにストローを入れると、
水の中でストローが折れているように見えることがありますよね👀
これも光が屈折しているために起こる現象です。

では、なぜ光は物体内に入ると直進せず屈折するのでしょうか？

光は、透明な物質の中に入ると進む速さが変化します。
この”速度の変化”こそが、光の進む向きを変え、屈折を生み出す理由なんです☝️

それでは、光の速度がどのように変わるのか、
さらに詳しく解説していきます！

屈折率が高いほど、光の進む速さは遅くなる

メガネレンズにも存在する屈折率の違い。
そもそも「屈折率」とは、真空と比べた時、光の進む速度がどれくらい”遅くなるか”を表す指標のこと。
屈折率が大きいほど、その物質中での光の速さは遅くなり、より強く屈折します。

・真空の屈折率：1.00（基準）
・空気の屈折率：1.000277（ほぼ1.0）
・水の屈折率：1.33

屈折率が大きいほど、光はその物質中でゆっくり進む。
つまり、より強く屈折するという関係になります。

メガネレンズで「1.60」「1.67」「1.76」などと数字が表記されているのは、
まさに、”光の遅くなり方”が違うためです。
同じプラスチックという素材でも、材料や密度が異なることで、
光の進む速さまで変わってくるんです。

光が斜めに入ると左右で速さに差が生まれ、屈折が起こる

水に向けて斜めに当てた光を、拡大して考えてみましょう！
まずはこちらの図をご覧ください🔦

光を帯として考え、帯の左側が先に水へ入り速度が遅くなり、左右の速度差によって屈折が生じることを示した図。

光が”斜め”から入ると、左右で物質に入るタイミングがズレてしまいます。
たとえば、上図のように光を一本の”帯”として見たとき、

・左側が先に水の中に到達し、速度が減速
・右側はまだ空気中で、そのままの速さで進む

という状態が生じます。

このように左右で光の速さに差が生まれてズレが発生すると、
光が曲がる＝屈折が起こるのです。

そして、右側も水中に届き、両側の速度が揃った時点で、
光は新しい方向へ進み始めます。

つまり、光が曲がる理由は「光がいつ減速するか」の違いにある
というわけなんです。

この現象は、”メガネレンズの屈折率の違い”にも深く関係しています。

メガネレンズの屈折率

東海光学のレンズでも比較してみましょう📸
メガネレンズにも、1.60や1.76など、様々な屈折率があります。

この数字は、レンズの中で光がどれだけ減速するかを表しており、
屈折率が高いほどゆっくり進み、より大きく曲がります。

今回の比較では、1.60屈折と1.76屈折のプラスチックレンズを使用し、
２つの角度で光を当ててみました！
（厚みやカーブは同等のレンズを用意しています。）

光源とレンズの距離を一定にし、レンズのど真ん中を通る光と
レンズに対して45°に入るようにした光で比較します。

メガネレンズの裏面から垂直に当てた光は直進していきますが、
レンズに対して45度の角度で当てた光はレンズ内で屈折し、異なる角度で進んでいきます。

それぞれこのような結果になりました！
写真を見ると、どちらも50°近くまで光が曲がったので、分かりやすいように50°の位置に印をつけました🖊️

よー－－－く見てみると、1.60屈折の方は青色の筋が50°に掛かりかけているのに対し、
1.76屈折の方は青色の筋がしっかりと50°に届いています。

1.60屈折のレンズを通った光に対して、1.76屈折のレンズを通った光の方が
僅かに大きく開いていることが分かりますね。

これは同じプラスチックでも、含んでいる材料の違いや密度の違いから
1.76屈折の方が光の進行速度が遅くなっているためです。

同じプラスチック素材でも、
材料や密度の違いによって光の進み方が変わる―――
レンズの屈折率が異なるのは、こうした「素材の違い」が理由なんですね。

さて、簡単にですが屈折の原理を説明いたしました。
そろそろ身近な透明な物の屈折率が気になってきませんか？🧐

世の中の学生は夏休み！🍨🎆
私も学生気分に戻って、自由研究をしてみました🧪

【実験】屈折率の違いで光はどれくらい曲がるのか？🧪

まず、実験の前に仮説をたてましょう。

🧪仮説
スポーツドリンクには果汁や糖類、食塩、柑橘類のエキス、
マグネシウムをはじめとしたミネラルなど、多くの物質が含まれています。
一方、食塩水は「水+食塩」と比較的シンプル。

成分が多い液体程光の進行を妨げる要素が増えるため、
光はよりゆっくり進む→つまり屈折は強くなるはず。
と仮説を立てました🥼

それでは実際に試してみましょう！

▶️実験方法
1.透明な容器にそれぞれ「水」「食塩水」「スポーツドリンク」を用意する。
2.光源の位置と角度をできるだけ揃える。
3.液体の表面に向けて同じ角度で光を入射し、屈折角の違いを観察する。
4.光の曲がり具合を、液体の種類ごとに比較する。
※今回は光源を固定するスタンドがなかったため、入射角は目視で合わせています。