光的折射 項少龍老師 項少龍老師
主 題 六 : 光 的 折 射 一 光 的 折 射 1. 光 的 折 射 : 光 由 一 介 質 進 入 另 一 介 質, 因 速 率 改 變 ( 頻 率 不 變, 波 長 改 變 ), 導 致 行 進 方 向 的 改 變 2. 折 射 定 律 : (1) 入 射 線 折 射 線 與 法 線 在 同 一 平 面 上, 且 入 射 線 與 折 射 線 分 別 在 法 線 兩 側 (2) 光 由 速 度 快 的 介 質 進 入 速 度 慢 的 介 質 時, 折 射 線 會 偏 向 法 線 (3) 光 由 速 度 慢 的 介 質 進 入 速 度 快 的 介 質 時, 折 射 線 會 偏 離 法 線 3. 光 折 射 的 實 例 : (1) 水 中 的 筷 子, 看 起 來 好 像 折 成 兩 截 (2) 人 看 水 中 的 物 體, 物 體 的 深 度 似 乎 變 淺 (3) 太 陽 未 升 起 前 或 日 落 後 可 見 到 陽 光 (4) 夜 晚 星 光 閃 爍 ( 大 氣 折 射 ) (5) 水 中 魚 所 見 水 面 上 飛 翔 昆 蟲 之 高 度 較 實 際 高 度 高 1
4. 透 鏡 : (1) 凸 透 鏡 : 中 間 部 分 比 邊 緣 厚 的 透 鏡, 有 匯 聚 光 線 的 作 用 ( 正 常 條 件 下 ) (2) 凹 透 鏡 : 中 間 部 分 比 邊 緣 薄 的 透 鏡, 有 發 散 光 線 的 作 用 ( 正 常 條 件 下 ) 物 像 5. 眼 睛 與 眼 鏡 : (1) 近 視 : 因 眼 球 的 曲 度 過 大 或 晶 狀 體 與 網 膜 距 離 過 長, 造 成 遠 處 物 體 成 像 於 網 膜 前 方, 需 戴 凹 透 鏡 片 矯 正 (2) 遠 視 : 因 眼 球 的 曲 度 過 小 或 晶 狀 體 與 網 膜 距 離 過 短, 造 成 物 體 成 像 在 網 膜 後 方, 需 戴 凸 透 鏡 片 矯 正 ( 補 充 : 眼 鏡 度 數 = 100 1 f 透 鏡 ) 8 6. 折 射 率 : 光 在 真 空 中 速 率 ( c = 3 10 m / s ) 與 光 在 介 質 中 速 率 的 比 值 ( 可 描 述 光 在 介 質 中 偏 折 的 程 度 ) c n ( n 1) v 2
二 光 的 色 散 1. 現 象 : 白 光 ( 陽 光 ) 經 三 稜 鏡 或 水 滴 折 射 後 分 散 成 七 種 色 光 ( 紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫 ) 2. 成 因 : 各 色 光 在 稜 鏡 中 速 率 不 同, 紅 光 最 快 ( 折 射 率 最 小 ), 紫 光 最 慢 ( 折 射 率 最 大 ), 故 通 過 稜 鏡 後 偏 折 的 角 度, 紅 光 最 小, 紫 光 最 大 ; 即 同 一 介 質 對 不 同 色 光 有 不 同 折 射 率 3. 思 考 : 單 色 光 通 過 稜 鏡 時, 只 會 被 折 射 但 不 會 再 有 色 散 現 象 白 光 ( 陽 光 ) 在 真 空 中 不 產 生 色 散 是 因 各 色 光 在 真 空 速 度 ( 折 射 率 ) 均 相 同 色 散 過 程, 頻 率 不 變, 但 波 速 與 波 長 改 變 4. 自 然 界 色 散 的 實 例 ( 補 充 觀 念 ): (1) 虹 : 日 光 在 懸 浮 於 空 中 之 小 水 珠 中 經 一 次 反 射, 兩 次 折 射 所 生 之 色 散 現 象 其 顏 色 排 列 是 由 上 而 下, 紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫 (2) 霓 : 日 光 在 懸 浮 於 空 中 之 小 水 珠 中 經 二 次 反 射, 兩 次 折 射 所 生 之 色 散 現 象 霓 位 在 虹 上 方 且 顏 色 較 淡, 亦 成 圓 弧 狀, 其 顏 色 順 序 與 虹 相 反 5. 思 考 : 欲 觀 察 虹 與 霓, 必 須 背 光 觀 看 觀 察 者 位 置 愈 高, 所 看 到 虹 與 霓 的 部 分 愈 多, 視 野 夠 廣, 甚 至 可 看 見 一 整 圈 虹 與 霓 站 在 不 同 位 置 的 人, 同 時 看 到 的 彩 虹 並 非 同 一 條 彩 虹, 而 是 由 不 同 水 滴 各 自 形 成 的 我 們 所 見 到 的 彩 虹, 並 非 單 一 水 珠 所 造 成, 而 是 由 一 排 鉛 直 水 珠 折 射 所 造 成 3
<~/~ 獵 殺 新 物 理 > 1. 夜 間 潛 水 時, 水 面 下 的 人 與 岸 上 的 另 一 人 以 光 互 傳 訊 息, 如 圖 所 示, 圖 中 乙 與 戊 為 光 不 偏 折 的 路 徑 下 列 哪 些 選 項 為 光 訊 息 可 能 的 行 進 路 徑?( 應 選 2 項 ) <101 學 測 > (A) 甲 (B) 乙 (C) 丙 (D) 丁 (E) 己 甲 乙 丙 空 氣 水 丁 戊 己 2. 一 束 光 線 經 過 三 種 介 質 連 續 折 射 時, 其 方 向 如 圖 所 示, 則 (1) 圖 中 的 abc 三 種 介 質 的 折 射 率 大 小 關 係 為 (2) 光 在 介 質 中 速 率 最 慢 3. 一 雷 射 發 出 的 可 見 光, 在 空 氣 中 由 左 向 右 通 過 一 支 實 心 玻 璃 圓 柱 試 問 雷 射 光 的 可 能 軌 跡 為 下 列 何 者? 88 學 測 4. 將 玻 璃 透 鏡 置 於 空 氣 中, 若 光 線 要 通 過 鏡 心, 則 下 列 路 徑 何 者 正 確? 84 學 測 5. 將 粗 細 均 勻 的 金 屬 圓 棒, 插 入 盛 水 之 圓 形 透 明 玻 璃 杯 內 當 人 眼 由 杯 外 略 高 於 水 面 的 位 置, 透 過 水 面 與 杯 子 側 面 觀 看 水 中 的 圓 棒 時, 圓 棒 看 似 折 斷, 粗 細 也 不 均 勻 若 以 灰 色 線 段 代 表 看 到 的 水 中 圓 棒, 則 下 列 哪 一 圖 是 人 眼 看 到 的 景 象? 92 學 測 4
6. 游 泳 時 戴 上 泳 鏡, 在 水 中 可 看 清 景 物 ; 若 不 戴 泳 鏡, 即 使 是 視 力 正 常 的 人 在 水 中, 所 看 到 的 景 物 也 模 糊 不 清 不 戴 泳 鏡 時, 無 法 看 清 水 中 景 物 的 主 要 原 因 為 下 列 哪 一 項? (A) 在 水 中 瞳 孔 會 縮 小, 使 進 入 眼 睛 的 光 線 不 足 (B) 在 水 中 時, 不 戴 泳 鏡 會 比 較 緊 張, 無 法 集 中 精 神 (C) 水 分 子 會 碰 撞 射 向 眼 睛 的 光, 使 進 入 眼 睛 的 光 線 不 足 (D) 與 光 在 空 氣 中 傳 播 的 情 形 相 比, 光 在 水 中 的 傳 播 速 率 更 接 近 光 在 眼 睛 內 的 傳 播 速 率 95 學 測 7. 下 面 的 三 個 圖, 甲 乙 丙, 表 示 蠟 燭 發 出 的 光 照 射 至 屏 幕 上 的 情 形 : 甲 為 直 接 照 射, 乙 為 經 針 孔 後 照 射, 丙 為 經 會 聚 透 鏡 後 照 射, 則 此 三 種 情 況 在 屏 幕 上 成 像 的 情 形, 下 列 何 者 正 確? 92 學 測 選 項 甲 乙 丙 (A) 倒 立 虛 像 倒 立 實 像 比 乙 暗 的 倒 立 實 像 (B) 倒 立 虛 像 倒 立 實 像 比 乙 亮 的 倒 立 實 像 (C) 不 能 成 像 倒 立 實 像 比 乙 暗 的 倒 立 實 像 (D) 不 能 成 像 倒 立 實 像 比 乙 亮 的 倒 立 實 像 8. 下 列 敘 述, 何 者 正 確? (A) 在 色 散 現 象 中, 紫 光 透 過 三 稜 鏡, 偏 折 最 大, 紅 光 偏 折 最 小 (B) 在 色 散 現 象 中, 透 過 三 稜 鏡, 紅 光 偏 折 最 大, 紫 光 偏 折 最 小 (C) 紅 光 在 玻 璃 中 速 度 較 紫 光 大 (D) 紅 光 在 玻 璃 中 的 折 射 率 較 紫 光 大 (E) 複 合 光 透 過 三 稜 鏡 時, 會 產 生 色 散 9. 一 水 盆 裝 水 將 滿, 將 一 片 平 面 鏡 面 和 水 面 之 間 造 成 一 三 角 形 水 層, 如 圖 所 示 這 個 水 層 就 有 和 三 稜 鏡 相 似 的 色 散 作 用 將 一 窄 條 太 陽 光 傾 斜 投 射 至 水 面, 使 自 水 中 折 出 的 光 束 射 至 天 花 板 上, 如 右 圖 中 AB 試 問 光 譜 中 的 紅 色 端 係 在 B 處 抑 在 A 處? 5
10. 圖 為 一 個 普 通 的 圓 柱 玻 璃 杯, 內 裝 清 水, 當 觀 察 者 距 離 杯 子 約 1 公 尺 時, 透 過 杯 子 中 的 水 看 遠 方 的 建 築 物, 則 建 築 物 的 像 會 呈 現 下 列 何 種 狀 況? (A) 上 下 顛 倒, 左 右 也 顛 倒 (B) 上 下 顛 倒, 左 右 不 顛 倒 (C) 上 下 不 顛 倒, 左 右 也 不 顛 倒 (D) 上 下 不 顛 倒, 左 右 顛 倒 <99 課 綱 學 測 預 試 > 11. 若 置 一 物 體 於 凸 透 鏡 前 2 倍 焦 距 上, 且 利 用 紙 屏 成 像, 則 於 紙 屏 上 所 成 的 像 應 為? (A) (B) (C) (D) 12. 將 凸 透 鏡 之 下 半 部 遮 住, 則 一 物 經 此 鏡 所 成 之 像 的 形 狀? (A) 只 有 物 之 上 一 半 成 像 (B) 只 有 物 之 下 一 半 成 像 (C) 無 法 成 像 (D) 與 鏡 不 被 遮 時 所 成 的 像 一 樣 (E) 無 法 判 定 13. 下 列 各 選 項 中, 線 框 內 之 光 學 元 件 皆 為 透 光 玻 璃 製 成 由 線 框 左 方 射 入 單 色 平 行 光 後, 哪 些 線 框 內 之 光 學 元 件 可 能 造 成 如 右 圖 所 示 之 光 線 行 進 方 向? <96 指 考 > 6
14. 兩 個 並 排 而 且 深 度 相 同 的 水 池 ( 如 下 圖 ), 一 個 裝 水, 另 一 個 未 裝 水, 在 兩 池 的 中 央 各 豎 立 著 一 支 長 度 相 同 而 且 比 池 深 略 長 的 標 桿, 陽 光 斜 照 會 將 標 桿 投 影 在 池 底 則 下 列 各 敘 述 何 者 正 確? (A) 裝 水 池 中 桿 影 較 長 (B) 兩 池 中 的 桿 影 長 度 相 同 (C) 未 裝 水 的 池 中 桿 影 較 長 (D) 裝 水 池 中 的 桿 影 是 否 較 長, 視 陽 光 斜 照 的 角 度 而 定 86 學 測 15. 近 視 眼 須 配 戴 何 種 眼 鏡 校 正? 其 理 由 為 何? (A) 凹 透 鏡, 因 為 它 能 發 散 光 線 (B) 凸 透 鏡, 因 為 它 能 發 散 光 線 (C) 凹 透 鏡, 因 為 它 能 會 聚 光 線 (D) 凸 透 鏡, 因 為 它 能 會 聚 光 線 87 學 測 16. 一 束 可 見 光 在 空 氣 中 由 左 向 右 通 過 一 片 實 心 平 行 玻 璃 板, 試 問 其 可 能 軌 跡 為 何? 90 學 測 17. 游 泳 戲 水 是 炎 夏 消 暑 的 良 方 之 一, 但 因 無 法 準 確 判 斷 水 深, 有 時 導 致 溺 水 事 件, 若 站 在 戶 外 游 泳 池 旁, 估 計 池 水 的 深 度, 總 會 覺 得 池 水 比 實 際 深 度 淺 此 一 錯 覺 主 要 源 自 於 下 列 哪 一 項 原 因? (A) 光 在 水 中 的 色 散 現 象 (B) 池 底 的 反 射 光 在 水 面 的 折 射 現 象 (C) 目 光 在 水 面 的 反 射 現 象 (D) 陽 光 在 水 面 的 反 射 現 象 93 學 測 18. 水 塘 中 有 時 滿 水, 有 時 無 水 若 水 塘 底 有 青 蛙 觀 看 岸 邊 路 燈, 而 岸 邊 有 人 觀 看 水 塘 底 的 青 蛙, 則 下 列 有 關 所 有 高 度 或 深 度 的 比 較, 哪 些 正 確?( 應 選 兩 項 ) <99 學 測 > (A) 人 看 塘 底 青 蛙 的 深 度 和 青 蛙 看 路 燈 的 高 度, 兩 者 與 塘 中 是 否 有 水 無 關 (B) 塘 底 青 蛙 所 見 的 路 燈 高 度 於 滿 水 時 較 高, 無 水 時 較 低 (C) 塘 底 青 蛙 所 見 的 路 燈 高 度 於 滿 水 時 較 低, 無 水 時 較 高 (D) 人 看 塘 底 青 蛙 的 深 度, 滿 水 時 較 淺, 無 水 時 較 深 (E) 人 看 塘 底 青 蛙 的 深 度, 滿 水 時 較 深, 無 水 時 較 淺 7
19. 透 明 薄 平 板 玻 璃 所 組 成 的 魚 缸 中, 悠 游 著 一 條 水 C 小 魚, 如 右 圖 所 示 在 某 時 刻, 某 人 沿 圖 中 的 CD 直 線 觀 看 小 魚, 小 魚 的 軀 幹 平 行 於 CD 直 線 下 列 敘 述 中 哪 些 正 確?(A) 人 所 看 到, 魚 的 影 像 為 實 像 (B) 人 所 看 到, 魚 的 位 置 和 實 際 位 置 相 同 (C) 人 所 看 到, 魚 的 長 度 等 於 實 際 的 長 度 (D) 當 魚 以 速 率 v, 沿 CD 直 線 游 離 此 人 時, 人 所 觀 測 到 的 速 率 小 於 v (E) 當 魚 與 人 的 位 置 固 定 時, 魚 缸 的 玻 璃 厚 度 若 較 大, 則 人 所 看 到 魚 的 影 像 比 薄 玻 璃 時 更 為 接 近 93 指 考 20. 如 圖 所 示, 則 下 列 敘 述 何 者 正 確? (A) 直 尺 與 透 鏡 間 的 距 離 必 小 於 透 鏡 的 焦 距 (B) 此 為 放 大 倒 立 實 像 (C) 此 透 鏡 為 凹 透 鏡 (D) 透 鏡 移 近 直 尺 所 見 的 刻 度 將 更 大 些 21. 以 折 射 率 大 於 1 的 透 明 壓 克 力, 作 成 5 塊 外 形 不 同 的 透 明 體, 其 側 視 圖 如 下 : 甲 是 厚 度 為 R 的 長 方 體 ; 乙 丙 均 是 半 徑 為 R 的 半 圓 球 ; 丁 是 厚 度 為 R 的 長 方 體, 挖 去 半 徑 為 R 的 半 圓 球 之 後 的 剩 餘 部 分 ; 戊 是 直 徑 為 R 的 圓 球 由 側 上 方 觀 察 壓 克 力 P 點 與 S 點 的 距 離, 哪 些 透 明 體 所 見 的 結 果 相 同? <97 預 試 > (A) 甲 (B) 乙 (C) 丙 (D) 丁 (E) 戊 22. 下 列 的 光 源 及 光 學 元 件 組 合 可 以 用 來 進 行 光 學 實 驗, 哪 些 較 適 合 觀 察 光 的 色 散 現 象? ( 應 選 2 項 ) (A) 單 色 光 雷 射 及 一 個 凸 透 鏡 (B) 太 陽 及 一 個 三 稜 鏡 (C) 綠 光 雷 射 筆 及 一 個 凹 透 鏡 (D) 白 熾 電 燈 及 一 顆 透 明 的 玻 璃 彈 珠 (E) 紅 色 發 光 二 極 體 (LED) 燈 及 一 塊 透 明 的 玻 璃 <101 學 測 > 8
23. 陽 光 經 過 三 稜 鏡 後, 呈 彩 色 的 光 帶, 稱 為 色 散 現 象 與 此 有 關 之 敘 述, 下 列 何 者 是 錯 的? (A) 三 稜 鏡 對 各 色 光 之 折 射 率 不 同 (B) 各 色 光 進 入 三 稜 鏡 時, 波 長 發 生 改 變 (C) 各 色 光 進 入 三 稜 鏡 時, 頻 率 發 生 改 變 (D) 各 色 光 進 入 三 稜 鏡 時, 傳 播 速 率 發 生 改 變 83 學 測 24. 已 知 三 種 色 光 對 玻 璃 之 折 射 率 如 下 表, 現 有 一 道 白 光 射 入 均 勻 厚 度 之 長 方 形 玻 璃 塊 以 下 為 紅 黃 藍 色 光 的 行 進 路 徑, 哪 一 個 圖 是 可 能 的? 86 大 考 色 光 紅 黃 藍 對 玻 璃 的 折 射 率 1.513 1.517 1.528 9
<~*~ 試 題 簡 答 > 1. (C)(E) 2. (1) n b > n a > n c (2)b 3. (C) 4. (C) 5. (A) 6. (D) 7. (D) 8. (A)(C)(E) 9. (A) 10. (D) 11. (D) 12. (D) 13. (B)(C)(D)(E) 14. (C) 15. (A) 16. (E) 17. (B) 18. (B)(D) 19. (A)(D)(E) 20. (A) 21. (A)(B)(D) 22. (B)(D) 23. (C) 24. (E) <~,~ 試 題 解 析 > 1. 法 甲 乙 丙 空 氣 水 丁 戊 己 法 由 水 空 氣 : 偏 離 法 法 丙 ( 密 ) ( 密 ) 由 空 氣 水 : 偏 向 法 法 己 ( 密 ) ( 密 ) 2. (1) 由 入 射 角 與 折 射 角 之 大 小 以 及 快 角 大 之 觀 念 可 判 定, 光 在 介 質 中 傳 播 之 速 率 c 為 vc > va > vb, 故 由 n 可 知 nb > n a > nc v (2) 光 在 b 介 質 速 率 最 慢 3. 如 圖 所 示, 本 題 只 要 細 心 描 繪 出 法 法 ( 半 徑 方 向 ), 再 把 握 住 快 角 大 的 原 則, 便 可 輕 鬆 解 答, 故 選 (C) 法 法 4. 同 上 題 之 道 理, 仔 細 描 繪 圖 形 法 法 故 選 (C) 10
5. (i ) 水 面 觀 看, 變 淺 ( 上 折 ) (ii ) 側 面 觀 看, 如 同 棒 置 於 一 凸 透 鏡 焦 點 內, 成 正 立 放 大 虛 像 ( 變 粗 ) 6. air 水 ( 密 密 差 較 小 較 不 易 折 ) 10. 杯 裝 水,like 左 右 放 置 之 凸 透 鏡, 物 在 2 倍 焦 距 外 左 右 相 反, 縮 小 之 實 像 11. 由 成 像 圖 知, 物 置 於 凸 透 鏡 前 2 f 處, 則 成 像 成 於 鏡 後 2 f 處, 且 為 上 下 顛 倒, 左 右 相 反 之 等 大 實 像 12. 將 凸 透 鏡 之 下 半 部 遮 住, 只 會 擋 下 一 半 的 入 射 光, 使 亮 度 減 弱, 但 不 影 響 成 像 性 質 13. (D)(E) 要 選 凹 透 鏡, 中 間 薄, 兩 邊 厚 散 光 ( 由 於 (B)(C) 沒 有 說 明 框 有 多 大, 故 送 分 ) 例 : 亦 可 散 光 14. 影 子 光 無 法 到 達 的 區 域, 故 作 圖 可 知 影 由 於 水 會 將 光 法 折 射, 故 有 水 之 水 池 影 子 較 短, 選 (C) 影 16. 繪 圖 可 得 故 選 (E) 11
18. 有 水 時, 會 有 光 的 折 射 效 應, 且 由 密 介 質 往 密 介 質 看, 深 度 變 淺, 由 密 介 質 往 密 介 質 看, 高 度 變 高 19. (A)(B)(C) 應 為 變 淺 虛 像, 由 於 變 淺 效 應, 故 長 度 變 短 (D) 由 於 長 度 變 短, 故 所 見 行 走 距 離 變 短, 導 致 所 見 速 率 變 小 (E) 將 水 換 為 密 度 更 大 之 玻 璃, 將 導 致 視 深 變 淺 之 效 應 更 加 明 顯, 使 人 所 看 到 魚 之 影 像 更 加 接 近 20. (A)(B)(C) 物 在 凸 透 鏡 1 倍 焦 距 內 所 形 成 的 像 為 放 大 正 立 的 虛 像 (D) 將 物 再 移 近, 一 為 正 立 虛 像, 但 大 小 漸 小 21. P ' P ' P ' P ' 22. (A)(C) 雷 射 為 單 色 光, 無 法 色 散 23. 請 注 意, 本 題 要 選 錯 誤 的 (C) 波 傳 遞 過 程, 頻 率 不 變 24. 紅 光 偏 折 少, 紫 光 偏 折 多 12