水の中では物が曲がって見えるのはなぜ？
水を入れたコップにストローを差すと、水面のところで折れ曲がったように見えることがあります。これはストローそのものが曲がったのではなく、水の中から出てきた光が、水と空気の境目で進む向きを変えるためです。この現象を「光の屈折（くっせつ）」といいます。
水の中の物がずれて見えるのは、光の道筋が変わるから
私たちがストローを見ることができるのは、照明や太陽の光がストローに当たり、そこからはね返った光が目に届くからです。
水につかったストローの部分から来た光は、まず水の中を進み、水面を通って空気中へ出ます。そのとき、水と空気の境目で進む向きが変わることがあります。
一方、水面より上にあるストローの部分から来る光は、主に空気中を進んで目に届きます。そのため、水の中の部分と外の部分では、目に届くまでの光の道筋が異なります。
私たちはふだん、目に入る光がまっすぐ進んできたものとして、物の位置をとらえています。水面で曲がった光も、そのまま逆向きにまっすぐたどって位置を考えるため、水中のストローが本当の位置からずれて見え、つなぎ目で折れ曲がったように感じるのです。
なぜ水と空気の境目で光が曲がるの？
光は、空気の中と水の中では進む速さが違います。水の中を進む光は、空気中を進むときより遅くなります。この速さの違いが、屈折を起こす理由です。
光が水面を斜めに通るときには、進む向きが変わります。水の中から空気中へ出る場合も、空気中から水に入る場合も、境目を通る角度によって光の進む道筋が変わります。
ただし、光が境目にまっすぐ垂直に当たるときは、進む速さが変わっても、向きは変わりません。水に入ればいつでも光が曲がるというわけではなく、どの角度で水面を通るかが重要です。
見る角度を変えると、曲がり方も変わる
ストローの曲がって見える様子は、顔を動かすと変わります。斜め上から水面をのぞくと、水中の部分がずれて見えやすくなります。一方、見る位置を変えると、ずれ方が小さく見えることもあります。
これは、ストローから目へ向かう光が、水面にどのような角度で当たるかが変わるためです。光が通る道筋が変わると、目がとらえる水中のストローの位置も変わります。
また、丸いコップを横から見る場合には、曲がったガラスの壁を光が通る影響も加わります。水面の屈折を確かめたいなら、上から斜めにのぞいて、水につかった部分と水面より上の部分を見比べると分かりやすいでしょう。
お風呂の底が浅く見えるのも同じ仕組み
水の中でずれて見えるのは、ストローだけではありません。水面の上からお風呂の底や水中の足を見ると、実際の位置より手前にあるように見えることがあります。
底や足から届く光が、水面で屈折して目に入るためです。その光をまっすぐ逆向きにたどって見ると、水中の物は実際より浅い場所にあるように感じられます。
この見え方は、プールや川でも起こります。水面から見た深さと実際の深さは違うことがあるので、見た目だけで浅いと判断して水に入ったり、飛び込んだりしないことが大切です。
ストローを使って屈折を観察してみよう
特別な道具を使わなくても、水と空気の境目で起きる屈折を観察できます。
- 透明な容器に、水を半分ほど入れます。
- まっすぐなストローを、斜めに水へ差し込みます。
- 水面より少し上から、ストローの水中部分と空気中の部分を見比べます。
- 顔の位置を少し変え、ずれて見える場所や程度が変わるか確かめます。
- ストローを水から出して、実際には曲がっていないことを確かめます。
水を入れる前と後でも見え方を比較できます。ストローの角度や見る位置によって違いが出るため、最初に変化が分かりにくいときは、容器を動かさずに視線の位置を変えてみましょう。
鏡の「反射」と水の「屈折」は何が違う？
鏡では、光が表面ではね返って目に届きます。これが「反射」です。水の中のストローが曲がって見えるのは、光が水から空気へ進む途中で向きを変える「屈折」です。
どちらも光の進み方に関係しますが、反射は光がはね返ること、屈折は別の物質へ進むときに向きが変わることという違いがあります。水中の物が曲がって見えるのは、目に入るまでの光の道筋が変わるためなのです。