スネルの法則とは
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「スネルの法則」って何ですか？光が曲がるということですか？
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大まかに言うと、光が水やガラスなど、違う物質に入るときに曲がる角度を決めるルールだよ。例えば、水の中にストローを入れると折れて見えるあの現象だ。このシミュレーターで、上の「屈折率 n₁」と「n₂」を変えてみると、光の曲がり方がどう変わるかすぐにわかるよ。光線図の入射光をドラッグして角度を変えると、屈折光がリアルタイムで曲がるのも体感できる。
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え、そうなんですか！「全反射」って聞いたことがあります。それもこの法則で説明できるんですか？
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その通り！光がガラス（密）から空気（疎）に出ようとするとき、ある角度を超えると、全部反射してしまう現象が全反射だ。シミュレーターで「n₁」をガラス（1.5）、「n₂」を空気（1.0）に設定して、入射光をゆっくりドラッグして角度を大きくしていくと、屈折光が消えて境界面でピカっと反射する瞬間が見えるはずだよ。緑の線が示す角度が臨界角だ。
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ダイヤモンドがキラキラするのも関係あるんですか？プリセットにありますね。
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鋭いね！ダイヤモンドの屈折率は約2.42と非常に高い。だから臨界角が小さく、内部に入った光がカット面で何度も全反射し、複雑に乱反射してキラキラ輝いて見えるんだ。プリセットから「ダイヤモンド」を選んで、入射角を変えてみると、すぐに全反射が起きるのが体感できるよ。波面オーバーレイをONにすると、密な媒質ほど波の間隔（波長）が縮むのも見えるよ。
スネルの法則と屈折率
光が屈折率の異なる媒質の境界を通るとき、入射角 $\theta_1$ と屈折角 $\theta_2$ はスネルの法則で結ばれます。
$n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2, \qquad n = \dfrac{c}{v}$
$n$ は屈折率で、真空中の光速 $c$ を媒質中の光速 $v$ で割った値です。屈折率の大きい媒質（密な媒質）に入ると光は法線側に曲がり（$\theta_2<\theta_1$）、小さい媒質に出ると法線から離れます。代表値は空気 $1.00$、水 $1.33$、ガラス $1.5$、ダイヤモンド $2.42$ です。
全反射と臨界角
光が屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ（$n_1>n_2$）進むとき、入射角を大きくすると屈折角が $90°$ に達します。この入射角が臨界角 $\theta_c$ で、これを超えると光は境界で全て反射する全反射が起こります。
$\theta_c = \arcsin\!\left(\dfrac{n_2}{n_1}\right)$
全反射は光ファイバー（コア内に光を閉じ込めて伝送）やプリズム、ダイヤモンドの輝きの原理です。水→空気の臨界角は約 $48.6°$、ガラス→空気では約 $41.8°$ です。本シミュレーターで入射角を変え、屈折・全反射の切り替わりを観察できます。
よくある質問
光が屈折率の大きい媒質（光密）から小さい媒質（光疎）へ進む場合に、入射角が臨界角を超えると全反射が発生します。シミュレーターでは、n1 > n2 の状態で入射角を大きくすると、屈折光が消えて反射光のみになる様子を確認できます。
媒質1と媒質2の屈折率を変えると、スネルの法則に従って屈折角が変化します。例えばn1を大きくすると屈折角が大きくなり、全反射の臨界角も変わります。リアルタイムで光線図と屈折角-入射角グラフが更新されるので、直感的に理解できます。
臨界角は θc = arcsin(n2/n1) で自動計算されます。n1 > n2 のときのみ有効で、シミュレーター画面に数値が表示されます。この角度以上に入射角を設定すると全反射が発生し、屈折角が90度を超えるため屈折光が存在しなくなります。
横軸が入射角、縦軸が屈折角です。n1 < n2 のとき曲線は45度線より下に、n1 > n2 のとき上に位置します。全反射領域では屈折角が90度で打ち切られ、グラフが途切れることで視覚的に理解できます。曲線の傾きが屈折の特性を表します。
実世界での応用
光ファイバー通信：ガラス繊維のコア内で光が全反射を繰り返し、情報をロスなく遠くまで伝送します。コアとクラッドの屈折率の差を設計し、臨界角以上で光を進ませる技術が基礎です。
光学レンズ設計：カメラや望遠鏡のレンズは、ガラスの屈折率と曲面の形状を精密に計算して設計されます。スネルの法則に基づき、光を一点に集めたり（収差補正）、像を歪ませずに結んだりします。
宝石のカットデザイン：ダイヤモンドやルビーなどは、その高い屈折率を活かし、光が内部で最大限に全反射して輝くようにファセット（カット面）の角度が計算されています。臨界角が設計の鍵です。
気象光学現象の解明：虹や蜃気楼は、空気中や水面での光の屈折・反射によって起こります。スネルの法則を用いて、見える角度や色の分離を説明することができます。
よくある誤解と注意点
まず、屈折率は「物質そのものの絶対的な値」と思いがちですが、実は光の波長によって微妙に変わります。例えば、プリズムで虹ができるのは、ガラスの屈折率が赤い光と青い光で異なるからです（分散）。このシミュレーターでは単一波長を想定しているので、実際の設計ではこの「色収差」を考慮する必要があります。
次に、入射角の測り方。画面の角度スライダーは「境界面の法線」からの角度ですよね。でも現場では、境界面そのものからの角度（余角）で話すこともあるので、仕様書を読む時は「どっちの角度か」を必ず確認しましょう。例えば、法線から60度の入射は、界面からは30度です。これを混同すると、とんでもない設計ミスになります。
最後に、シミュレーターでは「完全な平面」を扱っていますが、現実の界面は粗さや汚れがあります。例えば、光ファイバーの接続部にほこりが入ると、そこで意図しない散乱や反射が起きて信号損失の原因に。理論通りに動かない時は、こうした「理想と現実のギャップ」を疑ってみることが大切です。