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光的折射

物理建議年齡: 12–16

光進入另一種介質時,為什麼會改變方向?

用介面、法線、角度和折射率預測光線偏折,並探索全反射出現的條件。

學習目標

  • 從法線測量入射角和折射角。
  • 根據兩側折射率預測偏向或偏離法線。
  • 說明全反射需要的傳播方向和角度條件。

開始前

  • 會讀角度並認識垂線。
  • 知道光在均勻介質中可用直線光線表示。

互動科學實驗

  1. 1介面
  2. 2傳播方向
  3. 3折射率
  4. 4全反射

正在準備互動模型…

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定性教學模型:數值和圖示用於比較趨勢,並非精密測量。

邊觀察,邊解釋

依次完成四步。按鈕會把互動模型切換到對應觀察狀態。

  1. 介面分隔兩種介質;法線在入射點與介面垂直。所有角度都從法線量起,而不是從介面量起。

    你的任務: 指出介面、入射點和法線,再把入射角調到 0°。

  2. 進入折射率更高的介質時,光線向法線偏;進入折射率更低的介質時,光線偏離法線。沿法線入射則不改變方向。

    你的任務: 先預測從空氣進入玻璃的方向,再運行模型核對。

  3. 斯涅爾定律 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ 連接兩側折射率和兩個角;這裡的 θ 都是相對法線的角。

    你的任務: 改變入射角,記錄折射角;檢查二者是否簡單相差一個固定數。

  4. 從高折射率介質射向低折射率介質時,入射角超過臨界角便沒有透射折射光線,出現全反射。

    你的任務: 反轉介質方向並增大角度,找出折射光線剛好消失的附近。

把現象連成解釋

方向改變來自速度改變

光跨過介面時速度改變。斜著入射時,波前一側先改變速度,使傳播方向改變;頻率由光源決定並保持不變,波長隨速度改變。

「更密」要說清楚

折射率描述光在介質中的傳播,不等同於質量密度。預測偏折應比較折射率,而不能只憑材料「沉不沉」。

檢查理解

1入射角應該從哪條線量起?
2光從空氣斜射入折射率更高的玻璃,折射光線通常怎樣偏?
3全反射可能在哪種情況下發生?

可列印學習單

先獨立完成練習頁;答案和解釋在獨立一頁。

物理

光的折射

姓名:________________日期:________________

光進入另一種介質時,為什麼會改變方向?

  1. 入射角應該從哪條線量起?
  2. 光從空氣斜射入折射率更高的玻璃,折射光線通常怎樣偏?
  3. 全反射可能在哪種情況下發生?

解答頁

光的折射

  1. 法線

    入射角是入射光線與入射點法線之間的角。

  2. 向法線偏

    進入折射率更高、光速更低的介質時,折射角小於入射角。

  3. 從高折射率到低折射率,且角度超過臨界角

    全反射要求光由高折射率介質射向低折射率介質,並且入射角大於臨界角。