消失的全反射

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。

原理思考

為何水滴流過全反射處外壁，全反射現像會消失?

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 $\theta _{c1}=sin^{-1}(\frac{n_{air}}{n_{PMMA}})=sin^{-1}(\frac{1}{1.414})\approx 45.09^{\circ}$

壓克力介質到水介質臨界角 $\theta _{c2}=sin^{-1}(\frac{n_{water}}{n_{PMMA}})=sin^{-1}(\frac{1.33}{1.414})\approx 70.38^{\circ}$

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 $\theta _{c1}$ $\theta _{c2}$ ，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

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

Frustrated total internal reflection: A simple application and demonstration. American Journal of Physics, 71(5), 494-496.Zanella, F. P., Magalhaes, D. V., Oliveira, M. M., Bianchi, R. F., Misoguti, L., & Mendonça, C. R. (2003).

“Optics", 3rd ed., Addison Wesley, 1998, U.S.A.E.Hecht

製作

游俊崧、黃時霖

指導老師

朱慶琪

撰稿

游俊崧