第二節 生活中的全內反射現象

水下的景色

鑽石

海市蜃樓

光纖

水下的景色
現象

從水中望向水面,水面仿佛成了一面鏡子,倒映出水中的事物。

原理

水中物體發出的光,從水中射向空氣時會發生全內反射。物體會在水面上方形成虛像,其原理與平面鏡成像一樣。

水面上和下的景色

來自水面上的光可以藉折射進入水中,所以從水中向上望時,除看到因全反射而形成的水中事物的像,亦會在一個圓圈範圍內看到水面上的景色。圓圈裡會看到天空,以及岸上貼近水面的東西(如樹幹和草叢)。而在圓圈外,就會看見水底世界的倒影。

望向水面的視域

從水中豎直地向上望時,所有來自水面以上 180° 範圍內景物的光線,都能射入水面及觀察者之間的圓錐形範圍內,到達觀察者眼睛。這個圓錐形範圍頂角,剛好是水的臨界角的兩倍 (\(\approx \) 98°)。換言之,在視覺上,水面以上 180° 範圍內的景物,都被壓縮在這圓錐中。圓錐範圍外,則看見水面以下景物的倒影。

鑽石

現象

光照耀下的鑽石熠熠生輝,閃亮炫目。


原理

鑽石的折射率較高,為 2.4,其全內反射的臨界角則較小。這樣在鑽石內部,光就更容易發生全內反射。利用這一點,人們會將鑽石切割成特定的形狀,令光線經由全內反射被反射回去,形成閃亮的效果。

海市蜃樓
現象

炎熱的天氣下,看遠處灼熱的路面,仿佛成了一洼水面,能看到行駛於其上的汽車的倒影。

沙漠中也常會出現這樣的景象,讓人誤以為前方有湖水,卻怎麼也無法到達。

原理

比較而言,地面附近的空氣較熱,密度較低,為光疏介質;較高位置的空氣較冷,密度較高,為光密介質。當光線從冷空氣層射向熱空氣層時,便會發生全內反射,形成倒影。

由於冷熱空氣的折射率相差不大,全內反射的臨界角就較大,所以需要視角貼近地面才能觀察到這個現象。


光纖
現象

光本是直線傳播的。如果用玻璃纖維製成一條實心導管,一頭連接光源。我們能看到,即使此導管彎曲,光還是能沿著導管傳至另一頭。這種導管也稱為光導管。

人們會利用光導管傳輸光信號。這種光導管只比頭髮略粗,稱為光纖。

原理

光導管的折射率較空氣高,進入導管的光線會經過多次全內反射傳至另一頭。

全內反射中,光完全被反射,所以光在光導管中傳輸時的損失就非常小。以光纖來傳輸光信號,取代以電線傳輸電信號,能減低長距離信息傳遞中的損耗。

光導管不能過度彎曲,否則入射角變小,便會發生折射,有光從導管中漏出。

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