45AM11｜第45回第2種ME技術実力検定試験過去問

光について正しいのはどれか。

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正解: 1

正答

この問題では、光の回折、光子エネルギー、媒質中の光速、電磁波の周波数順、全反射 の基本が問われています。

光は直進するイメージが強いですが、波としての性質も持つため、狭い開口や障害物の端では回折によって拡がります。

光は、波としての性質と粒子としての性質をあわせ持ちます。

波として見ると、光には波長と 周波数 があります。真空中では、光速 c、周波数 f、波長 λ の間に次の関係があります。

c = f × λ

光子1個のエネルギーは、周波数に比例します。

E = h × f

また、f = c / λ なので、

E = h × c / λ

となります。つまり、光子のエネルギーは 波長に比例するのではなく、波長に反比例 します。

光が水やガラスなどの媒質中を進むと、速さは真空中より遅くなります。水中での光速は、真空中の光速と同じではありません。

また、電磁波の周波数は、赤外線より紫外線の方が高くなります。波長で見ると、赤外線は長波長側、紫外線は短波長側です。

全反射は、光が 屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ進む ときに、入射角が臨界角より大きい場合に起こります。空気中から水面に入る場合は、屈折率の小さい空気から屈折率の大きい水へ進むため、通常の意味での全反射は起こりません。

ひっかけポイント
光子エネルギーは「波長に比例」ではなく「周波数に比例、波長に反比例」です。
また、全反射は「空気から水」ではなく「水やガラスから空気」の向きで考えます。

1．光ビームは回折により拡がる。
正しい。
光は波としての性質を持つため、開口や障害物の端を通ると回折します。レーザのように細い光ビームでも、完全に平行のまま無限に進むわけではなく、回折によってある程度拡がります。

2．光子のエネルギーは波長に比例する。
誤り。
光子のエネルギーは E = h × f で表され、周波数に比例します。波長との関係では E = h × c / λ なので、波長に反比例します。波長が短い紫外線やX線ほど、光子エネルギーは大きくなります。

3．光の速さは真空中と水中で同じである。
誤り。
光の速さは媒質によって変わります。水中では屈折率の影響により、真空中より光の速さは遅くなります。媒質中の光速は v = c / n で考えます。

4．赤外光の周波数は紫外光の周波数より高い。
誤り。
赤外光は紫外光より波長が長く、周波数は低いです。周波数は、赤外線より可視光、可視光より紫外線の方が高くなります。

5．光が空気中から水面に当たると、全反射が起こることがある。
誤り。
全反射は、光が屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ進むときに起こります。水から空気、ガラスから空気のような向きで条件を満たすと全反射が起こります。空気から水へ進む場合は、全反射の条件に合いません。