Primary
主虹では、赤が外側、紫が内側に並ぶ
内部反射が 1 回のとき、出射角はおよそ 42° 付近へ集まりやすく、赤は少し外側、紫は少し内側に現れます。
Rainbow / Refraction / Internal Reflection / Dispersion
虹は、
水滴の中で光が一度遊んでから見える。
太陽光は水滴に入るときに曲がり、水滴の内側で反射し、外へ出るときにもう一度曲がります。その途中で色ごとに曲がり方が少し違うため、赤や紫へ分かれて見えます。
このページでは 入射位置、太陽光の傾き、水滴サイズ、白色光と単色光、主虹と副虹 を切り替えながら、虹の原理を高校生向けに追えます。
- 虹は「屈折して終わり」ではなく、屈折、内部反射、再屈折の 3 段階で見える
- 赤と紫では屈折率がわずかに違うため、出ていく向きが少しずれる
- 主虹は内部反射 1 回、副虹は 2 回で、色の並びが逆になる
Secondary
副虹では、反射がもう 1 回増えて色の順序が逆になる
内部反射が 2 回になると、光の向きがさらに変わり、より外側に淡い虹ができ、色の並びも反転します。
まず見るべきこと
白色光で主虹と副虹を切り替えたときの色順の違いと、単色光にしたときに 1 本の光線だけがどう曲がるかを見比べると、虹の原理がかなり掴みやすくなります。
Core Idea
虹は水滴の表面 1 回で終わる現象ではなく、水滴の中を通る光線の角度選別として見える。
このページでは 1 個の水滴断面と数本の光線だけを使い、どの入射条件でどの色がどの角度へ出ていくかを見える形へ単純化しています。
Viewer
水滴の中の光路を追う
左上から来る平行光線が水滴へ入り、反射して外へ出る道筋を描きます。白色光では複数色を同時表示し、単色光では 1 色だけの曲がり方を見られます。
0.50
水滴の中心からどれだけずれた位置へ光が入るかです。虹を作る角度が出やすいのは中心から少し外れた入射です。
0.0°
ここでは太陽光を平行光線として扱い、光の入ってくる向きだけを変えています。
125 px
幾何光学では虹の代表角はあまり変わりませんが、経路の長さや見え方は追いやすくなります。
現在のモデル
見どころ
Simulation
虹の断面モデル
主虹
白線: 入射する太陽光
色線: 分散した光
灰破線: 法線
虹の種類
主虹
代表的な出射角
42.0°
色の広がり
2.0°
色の並び
外側 赤 / 内側 紫
Reading
虹の見方
学校の教科書では「屈折して虹になる」と短く書かれがちですが、実際には内部反射と色ごとの屈折率差まで含めて見ると理解しやすくなります。
Refraction
屈折
空気から水へ入るとき、光は曲がります。水から空気へ出るときにも再び曲がり、その 2 回の屈折が出射方向を決めます。
Internal Reflection
内部反射
主虹では水滴内で 1 回、副虹では 2 回反射します。反射回数が増えると光の進行方向がさらに変わり、虹の位置も色順も変わります。
Dispersion
分散
赤は少し曲がりにくく、紫は少し曲がりやすいので、同じ白色光でも色ごとに出ていく角度がずれます。これが虹色に見える理由です。
Geometry
主虹と副虹
主虹はおよそ 42°、副虹はおよそ 51° 付近へ出やすく、副虹は内部反射が 1 回多いため色の順番が逆になります。
Reading Tip
虹は「水滴が色づく」のではなく、「水滴ごとに特定角度の色だけを観察者へ返す」ことで見える
実際の空には無数の水滴があります。そのうち、ちょうど観察者の目へ赤や紫を返す角度にある水滴だけが、虹の輪の一部として見えています。
Next
光の曲がり方をほかでも見る
虹が分かったら、宝石のファイアや、波としての光のふるまいも並べると、光の見え方の違いがつながります。