國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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簡易光學實驗

觀察折射與全反射的簡易實驗

材料:透明玻璃罐(或塑膠罐)、肥皂、線香、紅光雷射筆

操作步驟與現象:

  光的「反射」與「折射」在中小學課程都有介紹,也會以鏡子、透鏡觀察光的反射與折射,但是似乎沒有同時可以觀察反射、折射以及全反射的實驗。

本實驗以簡易的器材,可以同時分別觀察到光的反射、折射以及全反射的現象。操作方法如下:

1.準備一透明的玻璃罐(或塑膠罐),裝水半滿(如右圖)。

2.將肥皂浸泡到水中,輕輕戳柔肥皂以溶於水而呈乳白狀。請留意肥皂不要溶解太多,避免水溶液透光度變得太差,務必保持透光度。

3.取一隻線香點燃後,插入肥皂水溶液上方,並用蓋子略為蓋住杯口,以使線香的煙能充滿玻璃罐上方。

上述的操作是為了能清楚觀察到光的路徑。因為清水或空氣,反射光的程度並不佳,無法顯示出光在清水或空氣中的路徑,而肥皂的分子以及線香的煙霧粒子比較大,有利於反射光線,可以讓我們清楚觀察到光的路徑。

開始實驗:

以下實驗以紅光雷射筆,分別由玻璃罐底部往上照射,以及由上面往下照射

一、由玻璃罐底部往上照射(圖一)

1.當雷射光位於玻璃罐的底部時,結果如圖一(a),可看到光線從底部水溶液「折射」到上方空氣。

2.移動雷射筆,由玻璃罐旁邊往上照射,當到達某個角度時,可以觀察到「全反射」現象,結果如圖一(b)。水溶液中的入射光,全部都反射,沒有折射到上方的空氣中。

二、由玻璃罐上面往下照射(圖二)

1.雷射光位於玻璃罐的上方時,結果如圖二(a),可以看到光線從空氣中進入水溶液產生了「折射」的現象。

2.將雷射筆高度降低,亦即雷射光的入射角變大,結果如圖二(b),可觀察到產生了部分折射(光線進入水溶液),以及部分反射(光線反射回空氣)。

觀看實驗影片(10.2M)

原理:

上述實驗呈現的現象,包括了光的「反射」、「折射」、「部分折射與部分反射」以及「全反射」的現象。「反射」與「折射」較為簡易因此不再說明,值得進一步說明的是:在什麼情形或什麼條件才發生「全反射」?

當光由光密介質入射到光疏介質,或是由折射率大的介質入射到折射率小的介質,才會發生「全反射」,而且入射角必須大於某個臨界值才發生。例如光由水(折射率大)進入空氣(折射率小),而且入射角大於48.7〫時,才會發生全反射。反之,光由空氣入射到水中,則不會發生全反射,最多只會部分反射、部分折射。

臨界角θ 的計算公式為:sinθ = n2/n1

n1、n2分別是入射介質、折射介質的折射率,由於正弦sinθ 的值必然小於1,因此n1>n2

因此當水的折射率為1.33,空氣折射率為1.00,則光線由水入射到空氣,發生全反射的入射角之臨界值為:sinθ = 1.00/1.33=0.752,因此θ =48.7〫

反之,光由空氣進入水中,臨界值為:sinθ = 1.33/1.00=1.33,則θ 無解,物理意義即為不會發生全反射

叮嚀的話:

1.選用的玻璃罐必須表面平滑,不要凹凸不平。而使用線香製造煙霧時,要注意避免線香的灰燼掉到水中。

2.雷射筆請勿使用紫色光、綠色光等能量較高的雷射筆,建議使用紅色光雷射筆,以免傷害眼睛。

3.在教學上可以指導高中以上學生實驗與討論以下問題:(1)以量角器測量圖一(a)、圖二(a)的入射角、折射角,結果為何?能否驗證司乃耳定律(Snell's Law,或稱折射定律)?(2)已知以下物質的折射率分別為:水=1.33、酒精=1.36、玻璃=1.46、金剛石=2.42,分別計算光由某一物質入射到另一物質時,可以發生全反射的臨界角為何?(3)將玻璃罐中的水換成食用醋,可用本實驗方法估計出食用醋的折射率嗎?甚至可以進一步評估不同廠牌食用醋中醋酸的含量嗎?(注意:不要使用酒精等可燃物取代水,因為線香可能會點燃可燃物引起火災)。

參考資料:

1.折射與全反射觀察器:http://www.arvindguptatoys.com/toys/refraction.reflection.html

2.高瞻自然科學教學資源平台:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=1215

3.國立中央大學物理演示實驗:http://demo.phy.tw/experiments/optics/disappearance-of-total-reflection/

4.維基百科:http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%85%A8%E5%85%A7%E5%8F%8D%E5%B0%84