屈折率と波長の関係：屈折率が小さいと波長が長くなる理由

高校物理において、屈折率と波長の関係は重要な概念です。質問にある「屈折率が小さいと波長が長い」という問いについて、今回はその理由を解説します。光が異なる媒質を通過する際、屈折率と波長がどのように関連しているのかを理解することは、物理学の基本を学ぶ上で非常に役立ちます。

屈折率とは？

屈折率とは、光がある媒質を通過する際の速度の変化を示す物理量です。媒質中の屈折率は、真空中での光の速度とその媒質中での光の速度の比率として定義されます。屈折率が高いほど、光の速度は遅くなります。逆に、屈折率が低ければ、光の速度は速くなります。

波長は、光の波の長さを示す量で、媒質中で光の進行方向に沿って一定の距離を進むのに必要な時間を表します。屈折率が大きいと、光の速度が遅くなり、波長が短くなります。一方、屈折率が小さい場合、光の速度が速くなるため、波長が長くなるのです。

具体的には、光がある媒質に入ると、その屈折率によって光の速度が変化し、それに伴い波長も変わります。屈折率が小さいと、光の速度が速くなるため、波長は長くなります。この関係は、次の式で表されます。

波長 = λ₀ / n

ここで、λ₀は真空中の波長、nは屈折率です。

屈折率が小さいと、光の進行速度が速くなり、波長が長くなる理由は、光の進行する速度と波長の間に直接的な関係があるからです。屈折率が大きければ光の進行速度が遅く、同じ時間で進む距離が短くなるため、波長は短くなります。逆に、屈折率が小さければ光は速く進み、その結果、波長が長くなります。

例えば、真空中では光の速度が最も速く、屈折率は1です。この状態では、光の波長が最も長いと言えます。しかし、水やガラスなど、他の媒質を通過する際には、屈折率が変化し、それに伴って波長も変化します。屈折率が小さい媒質では、光が速く進み、波長も長くなるのです。

屈折率と波長の関係を理解することは、物理学の基礎を学ぶ上で非常に重要です。屈折率が小さいと、光の速度が速くなり、その結果、波長が長くなります。この現象は、光が異なる媒質を通過する際に起こる自然な変化であり、光の挙動を理解するための鍵となります。