光線穿過玻璃平板的路徑追蹤

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引言

光線路徑變化的性質是基於這樣一個實驗來評估的：該實驗追蹤了光線穿過玻璃平板時的路徑。根據斯涅爾折射定律，光的性質隨其傳播介質而變化。解讀結果有助於人們理解折射值變化背後的原因。

圖1：光線穿過玻璃平板

目的

本實驗的目的是追蹤光線穿過矩形玻璃平板時的精確路徑。本實驗的另一個目的是測量入射角、出射角和折射角的精確值，並最終解釋結果。

理論

該理論基於與折射相關的斯涅爾定律。該定律的兩個最重要的方面有助於描述折射的基本概念。折射的第一定律指出，法線、入射光線和折射光線位於同一直線上 (Rehm, 2020)。根據斯涅爾定律，入射角正弦之比與折射角正弦之比為常數。這一事實也可以表示為 sin i / sin r = 常數。

側向位移

當光線從折射介質出射時，其路徑上的垂直位移與側向位移有關。

圖2：入射光線穿過玻璃平板

光的折射

當光線從一種介質傳播到另一種介質時，它常常會改變其路徑。介質的密度在產生光的折射中起著重要作用 (Ahmadi et al. 2020)。當光線從光密介質移動到光疏介質時，就會發生折射。

所需材料

• 5-6枚大頭針
• 一塊繪圖板
• 刻度尺
• 圖釘
• 白紙
• 一塊矩形玻璃平板
• 鉛筆
• 量角器

實驗過程

圖3：光線路徑的折射

在本實驗中，折射發生在空氣-玻璃介面和玻璃-空氣介面。如圖所示，光線以斜角入射到DC面上，並向其法線方向彎曲 (Zhdanov et al. 2018)。在玻璃平板內部，入射光線平行折射。折射發生後，光線偏離其法線方向。這兩種折射都遵循折射定律。

示意圖

圖4：追蹤光線的路徑

首先，取一張白紙，用圖釘將其固定在繪圖板上。用鉛筆畫出玻璃平板的輪廓。在本實驗中，矩形玻璃平板的四個輪廓點為ABCD。在AB邊上標出E點，並畫出垂直於法線的EN線。用量角器畫一個30⁰的角。在P點和Q點固定大頭針，距離法線約4-5釐米。這兩個點位於透過30⁰角得到的射線上。

然後，將玻璃平板放置在ABCD處，透過其CD面觀察以固定R點和S點。應以所有大頭針位於同一直線的方式設定這些大頭針。在PQR和S周圍畫一個小圓圈，然後取下所有大頭針。此時應移除玻璃平板。

將R點和S點正確連線，使這些線在CD上的F點處相交。在F點處畫出垂直於NM的線。將包括E和F在內的所有點用鉛筆連線。AB和CD周圍形成了兩個不同的角度。測量折射角、出射角和入射角。在此過程中，還會發現發生了側向位移，可以透過將PQ射線平行於FRS延長來獲得。同樣的過程也重複進行45度和60度的測量。

觀察表

入射角	出射角	折射角
600	59.80	560	0.20
450	44.80	430	0.20
300	300	280	00

表1：實驗觀察表

總結

為了正確地進行該實驗並確保實驗的順利進行，需要遵循一些注意事項，其中確保矩形玻璃平板的平整度非常重要。也要保持玻璃平板的清潔，以便於放置大頭針。入射角應保持在30度到60度之間。所有大頭針的底部應位於同一直線上。也要確定側向位移的值。

常見問題

Q1. 出射角和入射角之間有什麼關係？

這兩個角的值是相等的。其中一個角的值等於另一個角的值。小的誤差會導致這兩個角的值出現差異。

Q2. 彩虹形成的原因是什麼？

在彩虹的形成過程中，折射起著重要的作用。微小的水滴導致光的這種折射，最終導致彩虹的形成。

Q3. 光的折射中沒有偏斜的條件是什麼？

在某個時刻，光線垂直於折射面。此時，光線不會發生偏轉。

Q4. 追蹤光線路徑實驗中需要避免哪些常見的錯誤？

確保玻璃平板中沒有氣泡。也要確保用量角器測量的準確性。