edubun
日本語
English한국어EspañolPortuguêsFrançaisDeutschItalianoNederlandsРусскийBahasa Indonesia日本語
ホーム›物理›光

色、プリズム、虹

クラウンガラスは、波長410 nmの紫の光を660 nmの赤い光より少し大きく曲げます。屈折率が紫では1.530、赤では1.512だからです。

白い光は色の混合

1660年代半ば、アイザック・ニュートンは窓のよろい戸の穴から暗い部屋に細い日光を入れ、ガラスのプリズムに通しました。反対側の壁には色の帯が現れました。王立協会の学術誌『Philosophical Transactions』の2015年の解説で近代光学の基礎と評された1672年の論文で、ニュートンは色がプリズムによって加わるのではないと論じました。白い光はさまざまな色が混ざったもので、色ごとに屈折の程度が少し異なるため、プリズムがそれらを分けるのです。また、帯から一色だけを取り出して別のプリズムに通しても、色は変わらないことを示しました。

OpenStaxは、その理由を屈折率で説明しています。同じ物質でも屈折率は波長によってわずかに異なり、波長が短いほど大きく、紫で最大になります。そのため紫の光は赤より大きく曲がり、白い光は赤から紫までのおなじみの順番に広がります。このように白い光をスペクトルに分ける現象が分散です。より一般には、光の進む向きの変化量が波長によって異なる場合に分散が起こります。

プリズムに入る白い光は、それぞれの面で一回ずつ、合計二回屈折します。紫が最も大きく、赤が最も小さく曲がります（広がりは強調しています）。
色水クラウンガラスダイヤモンド
赤 660 nm1.3311.5122.410
オレンジ 610 nm1.3321.5142.415
黄 580 nm1.3331.5182.417
緑 550 nm1.3351.5192.426
青 470 nm1.3381.5242.444
紫 410 nm1.3421.5302.458
読み込み中

ドラッグで回転、スクロールまたはピンチで拡大・縮小。

クラウンガラスに入る白い光です。OpenStaxの表25.2にある色ごとの屈折率で屈折します。広がりはわずかなので、より大きく分散するフリントガラスやダイヤモンドも試してみましょう。

色と波長

虹の色には通常、赤、オレンジ、黄、緑、青、紫の六色ほどの名前を付け、ときには藍も含めます。OpenStaxが強調するように、スペクトルは連続しています。色名は赤の約700 nmから紫の約400 nmまでの波長の範囲に付けた名前です。単一波長の光が目に入ると、通常はこれらの色のいずれかに見えます。ほかの多くの色合いは、混合した光に対する目の反応によるものです。太陽光は可視光のすべての波長を含むため、白、またはごくわずかに黄色く見えます。

物体の色は、目に向けて返す光によって決まります。葉が日光の下で緑に見えるのは、ほかの色より緑の光を多く反射し、残りの多くを吸収するからです。緑を含まない光の下では、同じ葉が暗く見えます。フィルターは透過する光に対して同じように働き、赤いフィルターは赤を通してほかの色の大部分を吸収します。

虹

虹は水滴による分散で生まれます。OpenStaxの説明では、光は水滴に入り、奥の面で反射して再び外へ出ます。入るときも出るときも屈折します。水の屈折率は波長によって異なるため、色ごとに少し違う角度で出ていきます。虹が見えるのは太陽が背後にあるときだけです。それぞれの色は、太陽光の方向に対して固有の角度にある水滴から目に届くため、虹は弧の形になります。水滴の中で二回反射すると、主虹の上に薄い副虹ができます。OpenStaxによると、1300年ごろ、ペルシャのカマールッディーン・ファーリスィーはカメラ・オブスクラの中に水を満たした大きなガラス容器を置き、巨大な雨粒に見立てて研究しました。ドイツのフライベルクのテオドリクスも同様の実験を行い、両者ともイブン・アル＝ハイサムの研究を踏まえていました。

背景分散がいつも役立つとは限りません。OpenStaxが指摘するように、光ファイバーに白い光を通すと、色ごとの到着時刻が少しずつずれて時間方向に広がり、前後の信号が混ざってしまいます。レーザーはほぼ単一波長なので分散が非常に小さく、これも光ファイバー網でレーザー光を使う理由です。天文学者は逆に、宇宙からの電波の分散を利用して、通過した物質の量を調べます。
  1. ガラスのプリズムが最も大きく曲げるのは何色ですか？
    • 紫
    • 赤
    • 緑
    • どの色も同じ
  2. 白い光が空気からクラウンガラスへ45°で入ります。赤のn = 1.512、紫のn = 1.530のとき、二本の屈折光線の角度の差はいくらですか？小数第2位まで求めましょう。
  3. クラウンガラスの中では、どちらが速く進みますか？
    • 赤い光
    • 紫の光
    • 同じ速さで進む
    • どちらもガラスの中では進まない
  4. 虹を見るには、太陽がどこにある必要がありますか？
    • 自分の後ろ
    • 自分の前
    • 真上
    • 前方の地平線の下
  5. 薄い副虹はどのようにできますか？
    • 水滴の中で二回反射する
    • 光が二つの雲を通る
    • 月の光による
    • 水滴の周りで回折する
  6. 光と色についてのニュートンの論文は、何年に発表されましたか？
    • 1672
    • 1801
    • 1543
    • 1905
  7. 日光の下で葉が緑に見えるのは、なぜですか？
    • 緑の光を多く反射し、ほかの光の多くを吸収するから
    • 緑の光を出すから
    • 緑の光を吸収するから
    • 緑の光をほかの色より大きく曲げるから
  8. OpenStaxの表25.2によると、波長660 nmの赤い光に対する水の屈折率はいくらですか？
  9. 光ファイバー網が白い光よりレーザー光を使うのはなぜですか？
    • レーザー光はほぼ単一波長で、分散が非常に小さいから
    • レーザーのほうが遅いから
    • 白い光はガラスに入れないから
    • レーザー光は反射しないから
ポイント
  • 白い光はさまざまな色の混合です（ニュートン、1672年の論文）。
  • 波長が短いほどnが大きくなるため、紫は赤より大きく曲がります。これが分散です。
  • 色名は、約400から700 nmまでの連続したスペクトルの範囲を表します。
  • 虹では水滴内で屈折、反射、屈折が起こり、太陽は背後にあります。二回反射すると副虹ができます。
このコースの出典 (16)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 25.2 The Law of Reflection (θr = θi, diffuse vs mirror reflection, image as far behind the mirror)
  • 25.3 The Law of Refraction (Roemer 1676 data -> 2.26 × 10⁸ m/s, about 25% low; Michelson rotating mirrors with a fixed mirror 35 km away, 0.04%; c = 2.99792458 × 10⁸ m/s; n = c/v; Table 25.1 air 1.000293, water 1.333, ice 1.309, crown glass 1.52, flint 1.66, polystyrene 1.49, zircon 1.923, diamond 2.419; Snell's law; 30.0° -> 22.0° gives 1.33; air to diamond 30.0° -> 11.9°; zircon 1.56 × 10⁸ m/s; Ibn Sahl 984; Snell 1580 to 1626; lawn-mower analogy)
  • 25.4 Total Internal Reflection (mirror more than 90%; θc = sin⁻¹(n2/n1); polystyrene 42.2°, water 48.6°, diamond 24.4°; fibre optics, cladding; corner reflectors on bicycles and on the Moon; binoculars)
  • 25.5 Dispersion (Kamal al-Din al-Farisi 1267 to 1319, camera obscura and a water-filled glass vessel; Theodoric of Freiberg; Ibn al-Haytham; about six rainbow colours; Table 25.2 n at 660/610/580/550/470/410 nm; violet bent most; rainbow seen looking away from the Sun; secondary rainbow from two reflections; lasers disperse little)
  • 25.6 Image Formation by Lenses (ray tracing rules, P = 1/f in diopters, 1/do + 1/di = 1/f, m = −di/do, 0.750 m object and f = 0.500 m -> 1.50 m and m = −2.00, magnifier do 7.50 cm -> di −30.0 cm and m = 4.00, Table 25.3 three cases)
  • 26.1 Physics of the Eye (cornea and lens act as one thin lens, most bending at the cornea, cornea n 1.38, lens-to-retina 2.00 cm, near point 25 cm, power 50.0 D to 54.0 D, hair 1.20 × 10⁻² cm at 60.0 cm)
  • 27.3 (Young 1801)
  • NASA science.nasa.gov/eclipses/geometry (umbra, penumbra; typical umbral path may be less than 50 miles wide, penumbra a thousand miles or more) and nasa.gov image article Diagram of Umbra and Penumbra (umbra shrinks, penumbra grows away from the Sun)
  • NASA Visible Light page (Newton 1665 prism experiment, 380 to 700 nm)
  • Royal Society, Fara 2015 commentary on Newton (1672) New Theory about Light and Colours (royalsocietypublishing.org/rsta/article/373/2039/20140213)
  • NIST Meter page (Evenson group 299 792 456.2 ± 1.1 m/s; 1983 definition fixes c = 299 792 458 m/s) and NIST J. Res. 1972 measurement (tf.nist.gov/general/pdf/527.pdf)
  • APS News July 2010, Fizeau (Galileo lanterns; Roemer 1676; Fizeau 1849, 313 300 km/s, about 5% high)
  • Wikipedia Fizeau's measurement (8633 m, 720 notches, 25.2 turns per second -> 313 274 304 m/s, 4.5% high) and Speed of light (Galileo proposal 1638; Foucault 1862 298 000 ± 500 km/s, −0.60%; Michelson 1926 299 796 ± 4 km/s)
  • Baez and DESY "How is the speed of light measured?" (same table)
  • NASA Moon Fact Sheet (mean distance 384 400 km)
  • IAU 2012 astronomical unit 149 597 870 700 m.

確認日: 2026-10-17