A-level 物理 (高等物理) / 折射

反射

反射角和入射角

反射是指光線在遇到不同於它傳播介質的物質時“反彈”的現象。您可能還記得在 GCSE（或同等水平）中學過，我們可以透過一條稱為“法線”的線來計算光線的傳播方向。法線垂直於兩種物質的邊界，在光線反射的點上。法線與光線之間的角度稱為反射角（r）。光線將以與它到達法線時相同的角度反射回來，但在法線的另一側。

折射

折射是指光線在穿越兩種物質的邊界時改變速度的現象。這會導致它改變方向。法線與折射光線之間的角度稱為折射角（r）。

折射率

折射率是衡量光線在物質與“參考物質”的邊界上折射程度的指標。這種參考物質通常是空氣或真空。它由以下公式給出

$n={\frac {c_{0}}{c_{1}}}$

其中 c₀ 是光在真空中的速度 (3 x 10⁸ m/s)，c₁ 是光在物質中的速度。

斯涅爾定律

我們可以使用以下公式將折射率與入射角 (i) 和折射角 (r) 聯絡起來，該公式被稱為斯涅爾定律

$n={\frac {\sin {i}}{\sin {r}}}={\frac {c_{0}}{c_{1}}}$

全反射

通常，當光線穿過不透明的物質時，它會發生反射和折射。然而，有時光線會發生全反射；換句話說，它們不會發生折射，因此不會有光線穿過物質。這在光纖中很有用，光纖可以使訊號以光速傳輸很遠的距離，因為光線會發生全反射。

臨界角

臨界角是光線發生全反射的給定物質的最小入射角。在臨界角（C）時，折射角為 90°，因為任何更小的入射角都會導致折射。因此

$n={\frac {\sin {90}}{\sin {r}}}$

由於 sin 90° = 1

$n={\frac {1}{\sin {r}}}$

$\sin {r}={\frac {1}{n}}=\sin {C}$

換句話說，在折射率為 n 的物質中，光線將在大於折射率倒數的反正弦的角度上發生全反射。

問題

1. 一束光線從一面鏡子反射。它到達鏡子時的法線角為 70°。它的反射角是多少？

2. 光線在金剛石中的速度為 1.24 x 10⁸ m/s。它的折射率是多少？

3. 冰的折射率為 1.31。光線在冰中的速度是多少？

4. 一束光線穿過空氣和透明物質之間的邊界。折射角為 20°，入射角為 10°。這種物質中的光速是多少？為什麼這種物質不可能存在？

5. 離開折射率為 2 的透明物質的光束的臨界角是多少？

解答

另請參閱

• 光學/折射