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數學公式

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結果

入射角 θᵢ
30
斯涅爾定律(折射定律) n₁ sin θᵢ = n₂ sin θᵣ

什麼是入射角?

入射角是指入射光線與法線(垂直於介面的直線)之間的夾角,量測點就在光線打到兩種透明介質交界處的位置。當光線從一種介質進入另一種介質時,行進方向會發生偏折,這個現象就稱為折射。本計算器運用斯涅爾定律(折射定律),由折射角反向推算出原本的入射角。斯涅爾定律是放諸四海皆準的光學關係式,不受國家或單位制度限制。

光線穿過兩種介質的界面,顯示從法線量測的入射角與折射角
入射角與折射角都是從表面法線開始量測的。

如何使用本計算器

請依序輸入:第一介質的折射率(\(n_1\),光線起始的介質)、第二介質的折射率(\(n_2\),光線偏折後行進的介質),以及量測到的折射角 \(\theta_r\)(以度為單位)。計算器會回傳入射角 \(\theta_i\)(以度為單位)。常見折射率參考:空氣約 1.00、水約 1.33、冕牌玻璃約 1.50、鑽石約 2.42。

公式說明

斯涅爾定律的關係式為 \(n_1 \cdot \sin\theta_i = n_2 \cdot \sin\theta_r\)。將其整理求解入射角,可得 $$\theta_i = \arcsin\!\left(\frac{n_2 \cdot \sin\!\left(\theta_r\right)}{n_1}\right)$$ 要注意的是,反正弦函數(arcsin)只有在引數落在 −1 到 1 之間時才有定義;若 \(n_2 \cdot \sin\theta_r / n_1\) 大於 1,便不存在實數解的入射角,這在物理上代表發生了全反射,或是幾何條件根本不可能成立。

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表示司乃耳定律的示意圖,關聯兩個折射率與兩個角度
司乃耳定律:\(n_1 \sin\theta_i = n_2 \sin\theta_r\),經過變形以求解入射角。

計算範例

假設光線從空氣(\(n_1 = 1.0\))進入玻璃(\(n_2 = 1.5\)),折射後的角度為 \(\theta_r = 19.47°\)。則 \(\sin\theta_r \approx 0.3334\),因此 $$\frac{n_2 \cdot \sin\theta_r}{n_1} = 1.5 \times 0.3334 = 0.5001$$ 取 \(\arcsin(0.5001) \approx 30.0°\)。也就是說,這道光線最初是以與法線約 30 度的角度射向介面的。

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常見材料的折射率

斯涅爾定律依賴於每種介質的折射率 \(n\)。由測得的折射角可以求出入射角:

$$\theta_i = \arcsin\!\left(\frac{n_2 \sin\theta_r}{n_1}\right)$$

下表列出了常見透明介質的代表性折射率。所有數值均為鈉D譜線(\(\lambda \approx 589\,\text{nm}\),黃光)在室溫下的值;折射率隨波長(色散)和溫度略有變化。

材料 折射率 \(n\)
真空 1.0000
空氣(0 °C,1 atm) 1.0003
1.31
水(20 °C) 1.333
乙醇 1.361
熔融石英 1.46
冠狀玻璃 1.52
燧石玻璃 1.62
藍寶石 1.77
鋯石 1.92
鑽石 2.42

因為空氣的折射率非常接近1,在入門級問題中通常將 \(n_{\text{air}} \approx 1.0000\) 處理。只有在需要高精度時才使用更精確的1.0003。

常見問題

如果出現錯誤或得到 90° 怎麼辦?當 \(n_2 \cdot \sin\theta_r / n_1\) 大於 1 時,表示這組數值對折射而言不成立(屬於全反射的情形),此時並不存在實數解的入射角。

可以把兩種介質對調嗎?可以,但務必確認 \(n_1\) 是入射光線出發的介質,而 \(\theta_r\) 則是在第二介質中量測到的角度。

答案是度還是弧度?本計算器的輸入與輸出角度一律以「度」為單位。

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