光的折射

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介紹

光在單一方向傳播時沿直線傳播。光速的某種變化會導致其路徑方向發生變化，這就是光從一種透明介質穿過邊界進入另一種透明介質後發生折射的情況。光的折射使人眼能夠觀察到稜鏡和彩虹。如果沒有光的折射，人眼就無法聚焦到光的路徑。

什麼是光的折射？

折射是指光線從一種透明物質穿過邊界進入另一種透明物質後立即彎曲的過程。它也發生在其他波，如聲波和水波中，折射過程是使人眼能夠看到透鏡、稜鏡和彩虹的唯一原因。折射也使人眼能夠聚焦，如果沒有光的折射，就無法聚焦於物體 (Sciencelearn, 2022)。

圖1：光的折射

光的折射主要發生在光波以一定角度偏離其正常路徑，然後穿過邊界從一種介質進入另一種介質時。

在這裡，光線的路徑發生了速度變化，這主要由折射過程控制。當從一個角度傳播到不同的介質時，折射過程遵循不同的折射率 (Malik et al. 2021)。在光的一部分發生偏轉後，可以看到光線根據其性質發生折射。

折射的型別

從較密介質到較稀介質

在從較密介質到較稀介質的折射中，折射率小於1，入射角小於折射角。這裡，折射光線偏離法線達10度 (Leverageedu, 2022)。在玻璃和空氣之間，當發生空氣折射時，光線是從較密介質傳播到較稀介質。

從較稀介質到較密介質

在從較稀介質到較密介質的折射情況下，折射率大於1，入射角大於折射角。之後，折射光線趨向於向法線方向偏轉 (Leverageedu, 2022)。當光線在空氣和水之間發生折射時，光線是從較稀介質傳播到較密介質。

光的折射定律

光的折射定律指出，入射光線、折射光線和在入射點處兩種介質介面的法線位於同一平面內。除此之外，光的折射也遵循折射角正弦之比在折射過程中保持不變 (Dido et al. 2021)。該定律也稱為斯涅爾折射定律。

斯涅爾定律

斯涅爾折射定律是理解光線從一種介質傳播到另一種介質時如何發生折射的重要組成部分。斯涅爾定律討論的是彎曲光線角度對兩種介質折射率的影響。

圖2：斯涅爾定律

斯涅爾定律源於菲涅耳方程或費馬原理，它指出入射角正弦與折射角正弦之比為常數。

斯涅爾折射定律的公式為 n₁/n₂ = sin θ₂/ sin θ₁ (Leverageedu, 2022)。

光的折射原因

光的折射通常發生在折射光線的頻率保持不變較長時間時。當折射光線的強度小於入射光線時，光的折射過程會自動發生。這僅發生在光的吸收和部分反射接觸介質介面時 (Sciencelearn, 2022)。

圖3：折射的原因

除此之外，當光線穿過邊界併發生偏轉時，也會發生折射。此外，當光波長和光速發生變化時，也會發生折射 (Dido et al. 2021)。

折射過程通常發生在不同的介質之間，其中光線從一種透明介質傳播到另一種介質。

結論

光的折射是使人眼能夠看到光線路徑的重要過程。這個過程主要由折射光線的穩定頻率和入射光線較高的強度觸發。例如，當白光穿過稜鏡時，由於光的折射，它會分裂成七種不同的顏色成分。

常見問題

問1. 光的反射有哪些應用？

折射與光學技術有關，因此，每當使用透鏡形成放大影像時，都會發生折射過程。它也應用於恆星的閃爍和海市蜃樓。

問2. 什麼是折射率？

折射率是衡量光線從一種透明介質穿過邊界進入另一種透明介質後彎曲程度的方法。它表示為 n = c/v，其中光線速度與光在該物質中的速度之比。

問3. 空氣、水和鑽石等透明物質的折射率是多少？

空氣的折射率為 1.00，水的折射率為 1.33。同樣，鑽石的折射率為 2.4，是所有透明物質中最高的。

問4. 光的折射有哪些現實生活中的例子？

彩虹和海市蜃樓的形成是光的折射最合適的例子。另一個例子是游泳池看起來很淺；實際上，這是由於光的折射造成的深度。

參考文獻

書籍

Fortson, N. (2022). Discovering the Nature of Light: The Science and the Story. Retrieved from: https://www.worldscientific.com

期刊

Dido, F., Mongan, S., Mandang, T., Palilingan, R., Mondolang, A., & Poluakan, C. (2021, July). Analysis of student difficulties in learning refraction of light. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1968, No. 1, p. 012033). IOP Publishing. Retrieved from: https://iopscience.iop.org

Malik, A., Mardianti, D., Nurlutfiah, D., Izzah, D. W., Mulhayatiah, D., Nasrudin, D., & Suhendi, H. Y. (2021, March). Determination of refractive index on three mediums based on the principle of refraction of light. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1806, No. 1, p. 012003). IOP Publishing. Retrieved from: https://iopscience.iop.org

網站

Leverageedu, (2022). Refraction of light. Retrieved from: https://leverageedu.com [2022年6月9日訪問]

Sciencelearn, (2022).Causes of refraction of light. Retrieved from: https://www.sciencelearn.org.nz [2022年6月9日訪問]