解説 · 光と光学

反射と屈折を解説：鏡とスネルの法則

光が鏡で反射し、水やガラスの中で曲がる仕組みを解説します。反射の法則、屈折率、スネルの法則、プールが浅く見える理由を、ライブ実験で学べます。

4分で読めます公開：2026年10月13日

鏡は光を跳ね返します。水の入ったグラスは光を曲げます。この2つの働き、反射と屈折は、潜望鏡、眼鏡、カメラ、飲み物の中のストローが折れて見える現象のもとになっています。どちらも、ものさしと分度器で確かめられる簡単なルールに従います。

光を光線として考える

日常の光学の多くでは、光を光線として扱います。光線とは、光が進む方向を示す矢印のついた直線です。この光線モデルは、物体が光の波長よりもずっと大きい場合によく当てはまります。鏡、レンズ、ふつうの影などがその例です。回折のような波の効果は無視しているため近似ではありますが、とても役立つモデルです。

すべての図を正しく読み取るために、ひとつ大切な考え方があります。角度は法線から測ります。法線とは、光線が当たる点で、表面に対して直角になる想像上の線です。表面そのものを基準にして測ることが、答えを間違える最も一般的な原因です。

光線がなめらかな表面に当たると、入ってきたときと同じ角度で跳ね返ります。

θᵢ = θᵣ

入射光線、反射光線、法線はすべて同じ平面上にあります。これが反射の法則のすべてで、なめらかな鏡では正確に成り立ちます。

平面鏡は虚像をつくります。目は反射した光線をまっすぐ後ろへたどり、鏡の後ろに、物体が鏡の前にある距離と同じ距離だけ離れた点から光が来ているように感じます。実際にはそこから光が来ていないので、その像をスクリーンに映すことはできません。

像の大きさは物体と同じですが、前後が反転しています。そのため、右手が自分のそっくりな相手の左手のように見えます。2枚の鏡を直角につなぐと、ペリスコープができます。それぞれの鏡は同じ法則に従い、2枚合わせて光を壁の向こうへ導きます。

光は真空中を最も速く進み、速さは約300,000 km/sです。水やガラスのような材料の中では、光はもっとゆっくり進みます。屈折率 n は、この2つを比べる値です。

n = c / v

空気はほぼ1、水は約1.33、普通のガラスは約1.5、ダイヤモンドは2を超えます。n が大きいほど光の速さは遅くなり、曲がり方も大きくなります。

光線がある角度で1つの材料から別の材料へ進むと、梁の片側がもう片側より先に遅くなり、梁の向きが変わります。これが屈折です。同じ境界面で光の一部は反射されるため、窓は向こう側を見せると同時に、うっすらと反射も見せます。

屈折の正確な法則はスネルの法則です。

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

それぞれの角度は、各材料の中で法線から測ります。たとえば、光が空気（n 約1.00）から水（n 約1.33）へ45°の角度で進むとします。このとき sin θ₂ = sin 45° ÷ 1.33 で、約0.53になります。したがって角度は約32°です。光線は法線に近づくように曲がりました。

計算しなくても、どちら向きに曲がるかはわかります。

光の通り道は逆向きにもたどれるため、光線が外へ戻るときは、入ってきた道を逆に進みます。密な材料の中での角度が十分に大きくなると、そこから出ていく光はまったく屈折できず、代わりに完全に反射されます。これは全反射と呼ばれる現象で、光ファイバーが利用しています。

屈折は、身近ないくつかの錯覚を説明します：

プールは実際より浅く見える。 水から出る光は法線から遠ざかるように曲がるため、底が持ち上がって見えます。ほぼ真上から見ると、見かけの深さは実際の深さを n で割ったものになります。
ストローが折れて見える。 水面で、下の部分が曲がった光を通して見えるためです。
コップのふちの後ろに隠れたコインが見えることがある。 水を入れると光線がふちを越えるように曲がるためです。
道路に見える蜃気楼は、実際の水たまりではない。 空からの光が、熱くて密度の低い空気の層を通って上向きに曲がり、下から目に届くのです。

これらはすべて、場所が違うだけで同じスネルの法則が働いていることに注目しましょう。

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