學習筆記：折射——奇妙的光線彎曲現象！
哈囉各位同學！你有沒有留意過，放在水杯裡的飲管看起來彎曲或折斷了？又或者，游泳池看起來比實際淺？這不是魔術，而是科學！在這份筆記中，我們將會探索光線一種超酷的特性，叫做折射。我們會學習為甚麼光線會彎曲、它如何產生這些有趣的現象，以及我們如何將這個原理應用在眼鏡和光纖等驚人發明上。這是理解我們如何看待世界的關鍵部分，所以讓我們一起深入探索吧！
1. 甚麼是折射？核心概念
想像一下，你在一條平坦的路上奔跑，突然跑到一片厚厚的濕沙上。會發生甚麼事？你會慢下來，對不對？光線也一模一樣！
光線在不同的物質中以不同的速度傳播。這些物質稱為介質（「介質」也是其複數形式）。例如，光線在空氣中（密度較低的介質）傳播速度超快，在水中會稍微慢一點，而在玻璃中（密度較高的介質）則更慢。
折射是光線從一種介質進入另一種介質時的彎曲現象。這種彎曲是光速改變造成的。
必記關鍵詞
介質：光線可以穿透的任何物質，例如空氣、水或玻璃。
透明：能讓光線清晰穿透的物質。
折射：光線從一種介質進入另一種介質時的彎曲現象。
你知道嗎？
光線在真空中（例如外太空）傳播最快，速度高達每秒近30萬公里！宇宙中沒有任何東西比光速更快。
第一部分重點總結
折射是光線在不同物質（介質）之間移動時，由於速度改變而引起的彎曲現象。
2. 折射定律（如何繪製光線圖！）
科學家使用光線圖來表示光線如何彎曲。別擔心，一旦你了解了這些規則，它們就很容易理解。首先，讓我們學習一些重要的直線和角度。
法線：一條想像的直線，與兩種介質交界面呈90°角。
入射角 (i)：入射光線與法線之間的夾角。
折射角 (r)：折射光線（進入新介質後）與法線之間的夾角。
光線彎曲的兩條黃金定律
光線彎曲的方向，你只需要記住兩條主要規則：
定律1：當光線從密度較低的介質進入密度較高的介質時（例如：從空氣進入水），它會減慢速度並向法線彎曲。這表示折射角 (r) 會小於入射角 (i)。
定律2：當光線從密度較高的介質進入密度較低的介質時（例如：從水進入空氣），它會加快速度並偏離法線彎曲。這表示折射角 (r) 會大於入射角 (i)。
記憶小助手！
這裡有一個簡單的技巧來記住這些規則。只要記住「快向法線」和「慢離法線」的中文縮寫就好了：
快向法線：速度快變慢，光線向法線彎曲。
慢離法線：速度慢變快，光線離開法線彎曲。
折射率：「彎曲」程度分數
有些物質比其他物質更能使光線彎曲。我們用一個稱為折射率的數值來量度。較高的折射率表示該物質「光學密度」更高，更能減慢光速，導致光線彎曲得更明顯。
例如，鑽石的折射率非常高，這就是為什麼它能讓光線大幅度彎曲，看起來如此閃爍的原因！水的折射率比鑽石低，所以它對光線的彎曲作用較小。
第二部分重點總結
當光線減速（進入密度較高的介質）時，它會向法線彎曲；當光線加速（進入密度較低的介質）時，它會偏離法線彎曲。
3. 折射的實際應用！真實世界例子
既然我們知道了這些定律，就讓我們看看它們如何解釋我們日常生活中看到的現象吧。
彎曲飲管的錯覺：當你觀察水杯裡的飲管時，它在水面處看起來是彎曲的。為甚麼呢？來自飲管在水下部分的的光線，在到達你的眼睛之前，會從水（密度較高）進入空氣（密度較低）。根據我們的定律（慢離法線！），這些光線會偏離法線彎曲。你大腦不知道光線已經彎曲了，所以它會假設光線是沿直線傳播的。它會將光線追溯到比飲管實際位置更高的一點，使飲管看起來彎曲了！
視深——看似較淺的游泳池：出於同樣的原因，游泳池或魚缸裡的魚總是看起來比實際淺。來自池底的光線在離開水面時會偏離法線彎曲。你大腦會將光線沿直線追溯到一個假想的「視深」底部，它比真實底部淺得多。
第三部分重點總結
許多常見的光學錯覺，例如彎曲的飲管和看似較淺的游泳池，都是由於光線從水進入空氣時發生折射所引起的。
4. 一個特殊情況：全內反射（TIR）
這聽起來很複雜，但這只是一種很酷的現象，當光線試圖從較密介質進入較疏介質時就會發生。有時，光線不會穿透出去，反而會被困住並反射回介質內部！
要發生全內反射 (TIR)，必須符合兩個條件：
1. 光線必須從密度較高的介質射向密度較低的介質（例如：從玻璃到空氣）。
2. 入射角必須大於一個稱為臨界角的特殊角度。
臨界角是使折射光線沿著兩種介質的交界面（與法線呈90°角）傳播的特定入射角。如果你將入射角稍微增加一點，超過臨界角，光線就完全不會折射出去——它會完美地反射回介質內部。它就像一面完美的鏡子！
全內反射的超棒應用
光纖：這些是超細、有彈性的玻璃或塑膠纖維。光線從一端射入，以大於臨界角的角度撞擊內壁，因此它會一直反彈（完全內反射），直到另一端而不會逸出。我們就是這樣傳輸超高速互聯網資訊，以及醫生如何使用內窺鏡檢查身體內部！
潛望鏡中的稜鏡：高品質的潛望鏡和雙筒望遠鏡使用稜鏡而不是平面鏡。它們利用全內反射來完美地反射光線，提供更清晰、更明亮的圖像。
第四部分重點總結
要發生全內反射，光線必須從密度較高的介質進入密度較低的介質，並且入射角必須大於臨界角。這樣光線就會被完美地「困住」。
5. 折射的應用：透鏡！
透鏡只是一些經過特殊形狀設計的透明物質（如玻璃或塑膠），用來以有用的方式彎曲光線。從相機到望遠鏡，甚至是我們自己的眼睛，它們都是關鍵！
凸透鏡（中間「胖胖」的那些）
凸透鏡中心較厚，邊緣較薄。它會使平行光線向內彎曲並匯聚於一點。我們稱它為會聚光線。
想像一下：放大鏡。
應用於：放大鏡、相機、投影機，以及遠視人士的眼鏡。
成像：可以放大，常用來使物體看起來更大。
凹透鏡（中間「瘦瘦」的那些）
凹透鏡中心較薄，邊緣較厚。它會使平行光線向外彎曲並分散開來。我們稱它為發散光線。
想像一下：將光線散開。
應用於：近視人士的眼鏡，以及門上的貓眼，提供廣闊視野。
成像：總是使物體看起來更小、更正立。
繪製透鏡光線圖（快速指南）
要找出透鏡會形成甚麼樣的像，我們可以繪製一個簡單的光線圖。這是基本概念：
1. 從物體頂部畫一條光線，平行於透鏡的中心線傳播。
對於凸透鏡，這條光線會彎曲並穿過另一側的焦點。對於凹透鏡，這條光線彎曲後，如同從同一側的焦點發出。
2. 從物體頂部畫第二條光線，它穿過透鏡的光學中心（最中間）而不彎曲。
3. 這兩條光線（或它們的假想延長線）相交的地方，就是像的頂部形成的位置！
第五部分重點總結
凸透鏡是會聚透鏡，它會使光線匯聚，並能放大物體。凹透鏡是發散透鏡，它會使光線分散。