第六章 波 6-1 波速、頻率與波長 6-2 波的特性 6-3 都卜勒效應 6-4 光 6-5 電磁波 高中基礎物理(一) 第六章 波 6-1 波速、頻率與波長 6-2 波的特性 6-3 都卜勒效應 6-4 光 6-5 電磁波

6-4 光 折射現象 光的粒子說 補充資料─全反射 光的波動說 光的干涉 光的二象性 光的繞射 反射定律 干涉與繞射實例 鏡面反射與漫反射 6-4　光 折射現象 補充資料─全反射 光的干涉 光的繞射 干涉與繞射實例 示範實驗─楊氏雙狹縫干涉 範例題 光的粒子說 光的波動說 光的二象性 反射定律 鏡面反射與漫反射 平面鏡成像 平面鏡成像性質 光反射的應用 折射

光的粒子說 牛頓發表了光的微粒說，認為光是由微小粒子組成： 光遵守力學定律，由此可解釋光的直線傳播，並推導出光的反射與折射定律。 預測了光在介質中（如水或玻璃等）的光速比在空氣中快。

光的波動說 惠更斯提出了光的「波動說」，認為光是在介質中傳遞的一個擾動或波。 波動說可以解釋光的反射與折射現象。 楊氏雙狹縫干涉實驗，更確定了光的波動性。

光的二象性 愛因斯坦提出光同時具有波動和粒子的特性： 電磁波是由許多具有特定能量的「光子」組成，具有粒子性。 光有時呈現波動性，有時呈現粒子性，需要視光與周遭所處狀況來決定其性質。

反射定律 光發生反射時遵守以下規則，並稱為反射定律： 入射線、反射線位於法線兩側，且三線在同一平面上。 入射角等於反射角。

鏡面反射與漫反射 平行光射向平面鏡時，反射光會反射到一特定方向上，這種平滑面的反射稱為鏡面反射 （specular reflection）。 平行光入射到不規則表面使反射光線反射至不同角度，使任意方向上都有反射光線稱為漫反射（diffuse reflection）。 (A)為鏡面反射，如(B)中燈泡在平靜水面的倒影清晰；(C)為漫反射，如(D)中水面起伏不平，由遠至近皆有燈泡的部分光線反射至觀察者眼中，故看起來為長條狀光影。

平面鏡成像 一平面鏡鉛直放置，若光自 S 點向四面八方射出，反射後的光線無論從何處觀察，有如從S’點發出。故觀察者在鏡前任意位置，彷彿都感覺到有一固定位置的點光源位於 S’：

平面鏡成像性質 像與原物體大小相等。 成像為正立虛像。 像到鏡面的距離，等於物到鏡面的距離。

光反射的應用（1/3） 當兩面平面鏡垂直放置時，最多可同時看到三個像，兩側的像為一次反射所造成，而中間的像則為光線經兩次反射所造成。

光反射的應用（2/3） 在叉路或彎路的轉角，利用凸面鏡的反射，可獲得比平面鏡大的視野，但成像縮小。

光反射的應用（3/3） 化妝時所用的化妝鏡使用凹面鏡裝置，具有放大臉部影像的功能。 探照燈、汽車前燈的反射板則都是拋物面鏡，將燈泡置於拋物面的焦點，此時焦點所發出的光線射向鏡面反射後，會平行射出。

折射 光從一介質進入到另一介質時光的行進方向會偏離原入射方向，這種現象稱為光的折射。 折射現象可得知入射線、折射線、法線及反射線皆會位於同一平面上（此平面稱入射面），其中折射線與法線之夾角稱為折射角。 光線由光速慢的介質射向光速快的介質，折射角大於入射角。若由光速快的介質射向光速慢的介質，折射角小於入射角。

折射現象(1/2) 黃昏看到太陽在地平線上，其實太陽的實際位置早已落至地平線以下了，這是因為大氣層對太陽光的折射所造成的。

折射現象(2/2) 插入水中的吸管看起來會向上彎折﹔從水面上看魚，眼睛所見魚的位置會比實際魚的位置上升一些。 15

補充資料─全反射（1/2） 若光線由光速慢的介質射向光速快的介質時，折射角恆大於入射角。若入射角繼續增大，折射角亦會隨著增大，當入射角達到某個特別角度（稱為臨界角）時，折射角將會達到 90°（即折射線沿著界面前進，但事實上並不會產生這道光線），所以只要入射角大於臨界角，入射光線將全部反射回原介質，而不會有折射發生，此現象稱為全反射。

補充資料─全反射（2/2） 光纖通訊就是利用光的訊號在光纖中全反射現象，鑽石加工後表面會切割成許多特定角度的平面，頂部的入射光會在內部發生全反射而最後從頂部射出，所以使得鑽石看起來閃耀奪目。

光的干涉(1/2) 1. 仿照兩圓形水波在水面形成干涉，兩列光波在空間相遇時相互疊加，也會發生了干涉現象。 雙狹縫干涉圖形示意圖

光的干涉(2/2) 2. 雙狹縫干涉產生明暗相間且條紋均勻的圖案。 3. 當光波通過兩狹縫，可視為新的兩個波源，兩波源彼此互相干涉。其中，暗紋表示兩波在此相消干涉，亮紋則表示兩波在此相長干涉。 19

光的繞射 光波在傳播時，如果被一個大小接近於或小於波長的物體阻擋，光繞過這個物體繼續進行的現象，稱為光的繞射。 光通過一條細縫後，形成明暗相間，且中央亮帶特別寬的條紋，稱為光的單狹縫繞射。 由於日光含有多種波長，繞射後呈現各種繽紛色彩。

干涉與繞射實例 1. 光碟片在光線照射下呈現七彩光芒。 2. 某些鳥類和蝴蝶呈現的多種燦爛色彩。 3. 肥皂泡泡常出現彩色紋路。 21

示範實驗─楊氏雙狹縫干涉 將雷射光對準雙狹縫，在可以清楚看見的距離處放置屏幕。 打開雷射光源，觀察屏幕上產生條紋的圖樣。 雙狹縫的實驗裝置，雷射光為點光源，兩點光源所成的像為明暗相間的點。

範例 １０　光的性質 甲：「粒子說」和「波動說」對於光的直進、反射和折射皆可解釋；乙：「粒子說」預測光在空氣中之速率要比在介質中快；丙：「波動說」是牛頓提出來的；丁：「粒子說」無法解釋干涉和繞射現象。對於光的「粒子說」和「波動說」，上列之敘述有哪些是對的？ (A)乙、丙、丁　 (B)甲、乙、丁　 (C)甲、丁　 (D)甲、乙

範例 １０　解題 答 (C) 解 「粒子說」預測光在空氣中之速率要比在介質中慢；「波動說」是惠更斯提出來的。

範例 １０ 類題　 下列關於光的敘述，正確的共有幾項？(甲)牛頓提出波動說、惠更斯提出粒子說、愛因斯坦提出光子說；(乙)光是電磁波，不需介質也能傳播；(丙)光的干涉與繞射現象表現出光的波動性；(丁)光的二象性（二重性）是指光同時具有粒子、波動性；(戊)光在真空中的速度比在介質中慢；(己)可見光的波長約在 380 奈米至 770 奈米；(庚)影子是因為光直線前進所產生。 (A) 4　(B) 5　(C) 6　(D) 7。 答 (B) 解 (乙)、(丙)、(丁)、(己)、(庚)是正確的。

範例 １１ 光的反射 (1)我們可以在白天時看到天空是亮的，呈現藍色，是因為太陽光照射空氣分子產生的 (A)單向反射 (B)漫反射 範例 １１　光的反射 (1)我們可以在白天時看到天空是亮的，呈現藍色，是因為太陽光照射空氣分子產生的 　 (A)單向反射　　　(B)漫反射　 　 (C)干涉　　　　　(D)折射 (2)已知月球上沒有大氣層，因此在月球上所看到的天空是 　 (A)藍色的　　　　(B)紅色的　 　 (C)黑暗的　　　　(D)蒼白的 答 (1)(B)　(2)(C) 26

範例 １１ 類題　 平靜的湖面上常可看到湖邊建築或樹木的美麗倒影 ，但在有浪的海面上卻只能看到海浪的起伏，而看 不到岸邊物體的倒影，其原因為下列何者？ (A)浪濤洶湧，容易造成色散 (B)海水中含有鹽分，造成折射 (C)海浪使海面不平坦，造成漫反射（漫射） (D)海水折射率大於純水的折射率，造成全反射 (E)海面遼闊無邊，容易使岸邊物體的影像全部透射入海中 答 (C) 解 平靜海面造成單向反射；不平坦海面造成漫反射。 27

範例 １２　光的反射

範例 １２　解答 答 (B) 解 將三個虛像與眼睛 P 連線，只有像Ⅱ、像Ⅲ與 P 的連線會通過乙鏡，表示眼睛透過乙鏡可看到像Ⅱ與像Ⅲ。

範例 １２ 類題　

範例 １２ 類題 解答　 答 (B) 解 由兩鏡的交線看去，其虛像為二次成像，與原物比較為正立且左右相同。

範例 １３　光的折射 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？

範例 １３　解答 答 (E) 解 光由空氣進入玻璃應偏向法線、光由玻璃進入空氣則偏離法線，且若玻璃兩面平行則經兩次折射後折射光會平行入射光，此稱側位移。 33

範例 １３ 類題　 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？（應選兩項） (A)甲　 (B)乙　 (C)丙　 (D)丁　 (E)己 答 (C)(E) 解 光線由空氣進入水中，偏向法線；光線由水進入空氣中，偏離法線。

範例 １４　光的繞射 下列的光學現象，何者是光干涉與繞射的結果？（應選三項） (A)雨後天空的彩虹 (B)肥皂泡薄膜上的彩紋 (C)光線無法通過兩片互相垂直的偏振片 (D)雷射光對單狹縫的繞射條紋 (E)光碟片上的彩色現象 答 (B)(D)(E)

範例 １４ 類題　 下列各種物理現象中，哪一種可用光線干涉與繞射的理論來解釋？ (A)針孔成像 (B)烈日下的樹影 (C)肥皂泡薄膜的五顏六色 (D)面鏡成像 答 (C) 36

範例 １５　光的繞射 下列哪一組光源通過狹縫（狹縫的大小略大於可見光波長）後，產生的干涉或繞射圖案是正確的？

範例 １５ 解答　 答 (E) 解 若狹縫直立，則條紋會向兩側開展，而狹縫橫置，條紋會向上下開展。單狹縫的繞射條紋中央亮帶較其他亮帶寬，而雙狹縫干涉條紋則各條紋均一樣寬。

範例 １５　類題

範例 １５　類題 解答 答 (A) 解 狹縫直立但寬度為左、右方向，所以產生的繞射條紋應向左、右兩側開展。單狹縫繞射條紋，中央亮帶的寬度較其他亮帶寬度寬，故應選(A)。