國立中央大學物理演示實驗 NCU Physics Demonstration Lab

消失的全反射

光到哪裡去了?

目的

觀察在不同折射率(index of refraction)物質形成的介面下，全反射(total internal reflection)現象的改變。

實驗

實驗裝置：綠光雷射、5X5X15 cm 透明壓克力、滴管。

  1. 將雷射打入透明壓克力當中，產生全反射情況下，利用滴管將水滴流過壓克力產生全反射處外壁，觀察全反射的消失現像。

    實驗演示1

    ×實驗演示1


    實驗演示2

    ×實驗演示2

原理思考

為何水滴流過全反射處外壁，全反射現像會消失?

原理探究

×原理探究

當入射光角度大於臨界角(critical angle)，會有全反射的現象發生，本實驗中原先折射環境是壓克力介質(medium)到空氣介質，後來的折射環境轉變為壓克力介質到水介質，這兩種情況的臨界角是不同的，故全反射才會消失。

壓克力介質到空氣介質的臨界角 \theta_{c1} =\sin^{-1}\left ( \frac{n_{air}}{n_{PMMA}} \right ) =\sin^{-1}\left ( \frac{1}{1.412} \right ) \approx 45.09^\circ

壓克力介質到水介質臨界角 \theta_{c2} =\sin^{-1}\left ( \frac{n_{water}}{n_{PMMA}} \right ) =\sin^{-1}\left ( \frac{1.33}{1.412} \right ) \approx 70.38^\circ

入射角度介於 \theta_{c1}及 \theta_{c2}之間，把空氣介質換成水介質，原先空氣介質的全反射現象會消失。

入射角度大於 \theta_{c2}，把空氣介質換成水介質，原先空氣介質的全反射現象亦存在。

討論

  1. 不同入射角下為何全反射消失的程度不同?
  2. 在不同折射率液體情況下又如何?
  3. 這個現象又稱frustrated total internal reflection，FTIR；FTIR是製作分光鏡的基本原理，試著構想如何從實驗中的現像來製作分光鏡?
  4. 除了全反射光線外，可另外看到與入射線對稱的虛像，為何會有此虛像的產生?

關於實驗

  1. 水滴流過時，雷射會因動態的水滴而產生類似"掃射"的現像，需注意防止眼睛與雷射接觸。

參考資料

  1. F. P. Zanella, D. V. Magalhães, M. M. Oliveira, R. F. Bianchi, L. Misoguti and C. R. Mendonça, "Frustrated total internal reflection：A simple application and demonstration", Am. J. phys., 71(5), 2003,
  2. E. Hecht, "Optics", 3re ed., Addison Wesley, 1998, U.S.A.

製作

游俊崧、黃時霖

指導老師

朱慶琪

撰稿

游俊崧

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