光線穿過玻璃稜鏡的路徑追蹤

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簡介

識別白光透過三稜鏡的路徑是一個重要的科學實驗。它用於展示可見光譜。不同型別的光在透過三稜鏡時具有不同的顏色，它們被分成多個光譜，因此透過這個實驗發現，僅僅是白光本身就包含了不同的顏色。這個實驗最早是由艾薩克·牛頓在1665年完成的。

三稜鏡的一些重要事實

三稜鏡通常是一種多面體，有兩個平行的底面。當特定光線在穿過稜鏡時發生兩次折射，它會與實際路徑分離一定的角度。

偏折角取決於稜鏡的頂角、稜鏡的材料性質和入射角。偏折角通常隨著入射角的增大而減小。偏折角的最小值稱為稜鏡的最小偏折角。正如 Nagare 等人（2019）所述，在最小偏折角位置，反射光線與稜鏡的底面平行。

圖 1：稜鏡和光的折射

當光束照射到稜鏡的一側表面時，它會分解成七種顏色。正如 Hess 等人（2020）所述，稜鏡展示的這種特定現象稱為光的色散。這七種顏色的光的集合稱為光譜。

玻璃稜鏡表現出各種折射率，其中包括白光的幾種顏色成分。這是因為每種顏色的速度不同。因此，不同的顏色從稜鏡出來的方向不同，從而變得清晰（Smith & Karunadasa，2018）。白光分散成 VIBGYOR（紫、靛、藍、綠、黃、橙、紅），其中紫色偏折最大，紅色偏折最小。

實驗裝置

目的

實驗的目的是識別玻璃稜鏡中光線的路徑。

所需材料

• 繪圖鉛筆
• 軟木板
• 一個玻璃稜鏡
• 透明膠帶
• 一些大頭針
• 3 張白紙
• 量角器
• 鉛筆、尺子。

步驟

圖 2：光線的路徑

追蹤光線穿過三稜鏡的路徑是一個重要的科學實驗，也可以透過以下步驟完成：

用透明膠帶將白紙固定在繪圖板上。

• 將玻璃稜鏡放置在紙的中間。標記玻璃稜鏡的邊界為 ABC，然後取下稜鏡。
• 然後在折射面（AB）上畫一條線 XY。
• 在 F 點畫一條垂直於 XY 的法線 NFN1。透過畫一條作為入射光線到法線的線 EF，畫一個 30° 角。
• 然後將玻璃稜鏡放置在 ABC 上。
• 將大頭針 Q₁ 和 P₁ 垂直固定在 EF 上，並將它們放置在 6cm 的距離處。
• 從折射面 AC 看，Q₁ 和 P₁ 的像出現在 I₂ 和 I₁ 處。
• 然後垂直放置大頭針 P₂ 和 Q₂。要確保 P₂ 和 Q₂ 與 I₂ 和 I₂ 在一條直線上。
• 如果 P₂ 和 Q₂ 以及 P₁ 和 Q₁ 位於一條直線上，則它們會一起移動。
• 取下稜鏡後，標記 P₂、Q₂、P₁ 和 Q₁ 的位置。
• 連線點 P₂、Q₂ 以產生 P₂Q₂，確保它在 AC 上與 G 相交。因此 HG 表示出射光線。
• 連線 F 和 G 以表示折射光線的路徑
• 連線 F 和 G。線 FG 表示折射光線的路徑。

觀察

當光束照射到折射面上時，光線在折射後會向法線彎曲 (Ma 等人，2021)。然而，在第二個折射面上，從空氣進入玻璃的光束會偏離法線。

結果

EFGH 描述了光線穿過稜鏡的特定路徑，並在圖中顯示。

注意事項

玻璃稜鏡的折射面需要光滑透明，並且沒有破損或氣泡。它應該呈三角形。需要使用鋒利的鉛筆繪製稜鏡的邊界以及光束。正如 Zhdanov 等人（2018）所述，大頭針應該成形，並且需要垂直固定在紙面上。大頭針之間需要 6m 的距離。這可以精確地找到折射光線和入射光線的方向。始終調整大頭針的腳而不是頭部。必須將大頭針圈起來並點上。入射角必須在 30° 到 60° 之間（Taravati & Eleftheriades，2021）。必須繪製適當的箭頭以指示入射光線、出射光線和折射光線的方向。

結論

追蹤光線穿過特定稜鏡非常重要，因為它有助於瞭解肉眼無法看到的不同光成分。這個特定的實驗表明，僅僅是白光本身就包含了不同的七種顏色。這七種顏色的光統稱為光譜。

常見問題

Q1. 什麼是稜鏡？

稜鏡指的是一個光學物體，它具有透明、拋光和平坦的表面，可以反射光線。稜鏡通常用於實驗光的反射。

Q2. 折射率使用什麼單位？

折射率沒有單位。這是因為它是在特定介質中光速與在真空中的光速之間的比率。

Q3. 什麼是光的色散？

它指的是白光分裂成七種不同顏色的現象。當光線穿過透明介質時，就會發生這種現象。

Q4. 當入射光線進入稜鏡時會發生什麼？

入射光線在穿過稜鏡時通常會向法線彎曲。發生這種情況是因為光線改變了其原始路徑併發生了偏折。