虹の楽しみ方 - 横浜国立大学虹の仕組み 水滴（球体）と光...

虹の楽しみ方

虹の7不思議を解く

虹の７不思議

1. 虹はどうして発生するの？

2. 虹はなぜ弧の形をしているの？

3. 虹の内側と外側はどうなっているの？

4. 第2の虹の正体は？

5. 虹は動くのか？

6. 全ての人が持つ虹レーダー？

7. 丸虹は実在するのか？

１．光の屈折・反射

虹のメカニズムを理解するために

光の屈折・反射とは？

屈折 ：光が種類の違う物質（材質）に入射するとき、その物質の境界面で曲がる現象

反射 ：光がある面で跳ね返ること

反射角・屈折角

１

2

ｎ１＝１．００

ｎ2＝１．33

スネルの法則反射 Θ1= Θ1屈折 n1 sinΘ1=n2 sinΘ2

ヴィレブロルト・スネル(1580‐1626)オランダの天文学者/数学者

Θ1 = 0度の時は？

屈折原理のイメージ

光の速さは水の中では3割程度遅い

媒質での光の速度の違い

50人51脚のイメージ

２．大気の場合

虹の仕組み

水滴（球体）と光

水滴の中で何が起こっているのか？

入射角 i 屈折角 r 

φ

φ＝4r‐2i

屈折＋反射＋屈折

反射角 r 

太陽光入射角iと雨粒を出て行く角度φの関係

太陽光入射角i

屈折の角度r

雨粒を出て行く角度 φ

10 7.5 10.020 14.8 19.230 22.0 28.040 28.7 34.850 35.0 40.060 40.4 41.670 44.7 38.880 47.4 29.690 0 なし

Φの最大値の存在

球体の水滴と光の共演

Φ=42°

波長により屈折角が違う！

色によるφの最大値の違い

屈折率n

太陽光入射角i

屈折の角度r

雨粒を出て行く角度

φ1.331 59.5 40.3 42.3

・ ・ ・ ・

・ ・ ・ ・

・ ・ ・ ・

1.343 58.8 39.6 40.7・ ・ ・ ・

球体の水滴と光の共演

Φ＝42.3

球体の水滴と光の共演

Φ＝41.4

球体の水滴と光の共演

Φ＝40.7

球体の水滴と光の共演

球体の水滴と光の共演

φ

黒白

なぜ光は混じり合わないのか？

黒白

紫は弱い

外側に光りはない

３．虹の見え方

虹の仕組み

虹の見つけ方

• 虹の発生条件をみたす

太陽の光と反射する水滴

• 太陽を背にする

• 光線から42度上を観察する

虹の見え方

Φ＝42.3

見えない

虹の見え方

Φ＝42.3赤

Φ＝42.3

虹の見え方

緑

虹の見え方

青

虹の見え方

白

虹の見え方

Φ＝42.3赤

虹の見つけ方

• 虹の発生条件をみたす

太陽の光と反射する水滴

• 太陽を背にする

• 光線から42度上を観察する

全ての人が持っている虹レーダーとは？

弧にみえる理由

虹は動くのか？

４．二つ目の虹

二重虹

水滴の中で何が起こっているのか？

入射角 i 屈折角 r 

φ

φ＝4r‐2i

光の道

角度が大きい方が上にくる

アレクサンダーの暗帯

白

白

黒

５．虹のあれこれ

虹あるある

虹の仕組みを最初に考えついた人

ニュートン

（1643‐1727）

1704年に出版された『オプティクス(光学)』

虹が出なくなる季節

に虹が見えない理由• 太陽光の角度が低い• 日が出ている時間が短い• 雨滴が凍っている＝氷粒・雪

によく見える理由• 晴れと雨の天気 ＝ 積雲による雨

余談

科学者は詩人よりも、自然を見て感動する気持ちがうすれるのか？

知識が増えると、美に対する感性が駄目になるのか？