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輸入計算

數學公式

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結果

折射角
19.47°
自法線量起
0
定律 司乃耳定律(n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂)
sin θ₂ 0.3333

這是什麼

這個計算器可以求出折射角——也就是光線在通過兩種透明介質的交界面時,光路彎折後所形成的角度。它依據幾何光學中最基本的關係式「司乃耳定律」(Snell's Law),只要提供兩種介質的折射率與入射角即可計算。

光線穿過兩種介質的交界面並朝法線方向偏折
光在折射率為 n1 與 n2 的兩種介質交界處的折射,顯示相對於法線的入射角與折射角。

使用方式

請依序輸入:光線出發的第一介質折射率(n₁)、光線進入的第二介質折射率(n₂),以及自法線量起的入射角(0~90°)。計算器會回傳折射角 θ₂。若在此幾何條件下會產生全反射,系統也會明確提示。

公式說明

司乃耳定律的式子為 \(n_1 \cdot \sin\theta_1 = n_2 \cdot \sin\theta_2\)。將折射角移項整理後可得

$$\theta_2 = \arcsin\!\left(\frac{n_1 \cdot \sin\theta_1}{n_2}\right)$$

當光線進入較密的介質(\(n_2 > n_1\))時,光路會偏向法線;進入較疏的介質時,則會偏離法線。若 \(\dfrac{n_1 \cdot \sin\theta_1}{n_2}\) 的值大於 1,反正弦函數便無解——這正是全反射發生的情況。

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角度超過臨界角時全內反射的示意圖
當光超過臨界角進入較稀疏的介質時,會全部反射回來——全內反射。

範例試算

假設光線以 30° 從空氣(\(n_1 = 1.0\))射入玻璃(\(n_2 = 1.5\))。

$$\sin\theta_2 = \frac{1.0 \times \sin 30°}{1.5} = \frac{0.5}{1.5} = 0.3333$$

因此 \(\theta_2 = \arcsin(0.3333) \approx 19.47°\)。光路偏向法線,這正符合光線進入較密介質時的預期結果。

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常見材料的折射率

介質的折射率 \(n\) 是真空中光速與該介質中光速的比值,\(n = c/v\)。它根據斯涅爾定律 \(n_1 \sin\theta_i = n_2 \sin\theta_r\) 決定光線在邊界處的彎曲程度。下列數值是在約 589 nm 的標準可見光波長(鈉 D 線)處測量的;折射率隨波長略有變化,這種現象稱為色散。

材料 折射率 (n)
真空 1.0000 (精確值)
空氣(海平面) 1.0003
1.31
水 (20 °C) 1.33
乙醇 1.36
冕牌玻璃 1.52
火石玻璃 1.62
藍寶石 1.77
鑽石 2.42

由於普通透明介質的 \(n \geq 1\),光在密度更大(較高 \(n\) 值)的材料中總是傳播最慢。兩種介質之間的折射率差異越大,邊界處光線方向的改變就越大。

常見問題

什麼是全反射?當光線試圖從較密介質射向較疏介質,且入射角超過臨界角時,便不會有折射光,所有光線都會反射回原介質。本計算器會自動標示這種情形。

什麼是臨界角?臨界角是使 \(\theta_2 = 90°\) 的入射角,可由 \(\sin\theta_c = \dfrac{n_2}{n_1}\) 求得(僅在 \(n_1 > n_2\) 時成立)。

角度是從介面表面量起的嗎?不是。這裡所有的角度都是自法線(垂直於介面的方向)量起的。

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