折射（Refraction）

折射（Refraction）
高雄市立高雄女子高級中學一年級馬立宜/高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

折射是波因為速度的改變，而造成前進方向改變的現象，這種現象常發生於波從一種介質進入到另一種介質時。光線的折射是最常見的例子，但任何一種形式的波經過不同介質時都會產生折射。例如：當聲波從一種介質進入到另一種介質時，或當水波進入到不同深度的水時，會發生折射的現象。

司乃耳(Snell)定律描述波入射的角度和折射的角度關係為：

$$\displaystyle \frac{\sin i}{\sin r}=\frac{V_1}{V_2}=\frac{n_2}{n_1}$$

或

$$n_1\sin i=n_2\sin r$$

這裡的 $$V_1$$ 和 $$V_2$$ 是波通過各種介質的速率。
這裡的 $$i$$ 與 $$r$$ 是入射線與法線的夾角及反射線與法線的夾角。
這裡的 $$n_1$$ 和 $$n_2$$ 是介質的折射率。

釋義

在光學中，折射發生在光線從一個有既定的折射率的介質進入到另一個介質，在兩個介質的介面，波的速率發生改變因而改變波進行的方向，在頻率不變之下，光的波長也隨之增加或減少。例如：當光線進入或離開玻璃時會產生折射，因為這樣的觀念，發明了透鏡及折射望遠鏡。

當我們往一碗水裡看時，就可以看到折射的現象，空氣的折射率約為 $$1.0003$$，而水的折射率約為 $$1.33$$，所以如果一個人注視一枝傾斜，部分置於水中的筆直物體（例如：鉛筆或吸管），此物體就好像在水面的地方折斷了，這是因為光線從水中射出進入空氣時彎曲了，這些光線一旦進入眼睛，眼睛會認為這些光線是直線射入的（視線），視線（用虛線表示）會在真正光源的上方會聚，這導致於鉛筆好像變高了，而水好像變得比實際淺了，從上方看水的深度，此深度稱為視深。

對於從水上方用魚叉捕魚的人必須考慮這個問題，因為看到魚的位置與實際魚的位置不同，而漁夫必須瞄準較低的地方來捕魚。

圖中呈現了一個在水中折射的例子。漣漪從左邊傳向水域較淺的地方，波前會傾斜一個角度，波在越淺的地方傳遞的越慢，所以波長減少且波前在邊界處彎曲。點線呈現正常的邊界，虛線呈現波最初的方向，這個現象解釋了海岸線的波浪，為什麼永遠不會以同一個角度打在海岸線上，無論波在深的水域以哪個方向前進，當他們進入接近海灘的淺水域時，都會折射向法線的方向。 

折射也可以解釋彩虹及當白光進入稜鏡產生的色散現象。玻璃有較空氣高的折射率，及不同的頻率的光在稜鏡中有不同的傳播速率，導致他們折射出不同的角度(色散)，所以你可以看到他們，不同的頻率對應到不同的顏色。

折射可以製造美麗的現象，像是彩虹，他也可以製造特有的光學現象，像海市蜃樓或沙漠幻象，這些是導因於空氣因為溫度的不同而發生折射率的改變。

司乃耳定律可以用來計算光線進入不同介質所折射的角度。 另外，因為折射可以使物體變得較近，所以它可以讓水來放大物體。首先，當光線進入一滴水時，波速變慢了，如果水的表面不是平的，光線就會彎曲形成一條新的路徑，當光線射入或射出時，這個圓形的介面會扭曲光線，你看到的影像就會變大了。

一個實用且類似的例子，用來解釋光線的折射。想像一支遊行隊伍，當他們在人行道上遊行（快的介質）進入泥巴（慢的介質），在邊緣最先進入泥巴遊行的人會最先慢下來，等到整個隊伍全部進入泥巴地時，導致隊伍的正面(類似水波波前)少許地傾斜一個角度（使進行方向與法線的夾角造成一小角度的改變）。

譯自 http://en.wikipedia.org/wiki/Refract