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

　　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（11.7M）

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。

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）。

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