課程目標：

• 折射率 / Index of Refraction

• 狹縫干射 與繞射 / Slit Interference and Diffraction

實驗目的：

利用雷射光觀察之繞射、折射等現象，並了解單狹縫、雙狹縫、光柵等光學元件的功能。

原理：

本實驗將應用Snell's Law，利用光的折射現象來推算一平板玻璃的折射率。並利用繞射、干涉等現象，對單狹縫、雙狹縫或多狹縫(光柵)等進行定性與定量的實驗。

A. Snell's Law

這個在幾何光學中相當重要的定律，描述光線行進於不同介質間的行進方向變化的關係。如圖(一)所示：

圖一、光束照射至物體表面時的反射與折射光路簡圖。

光線由介質1入射至介質2，有穿透也有反射。θ_i、θ_r、θ_t，分別代表入射角、反射角與折射角，而 n₁、n₂ 則分別為介質1與介質2的折射率。Snell's Law指出，它們之間應遵守以下關係式

                                                  (1)

                                    (2)

 我們將使用雷射光束照射一平板玻璃，驗證 Snell's Law與量測未知玻璃的折射率。

B. 繞射與干涉

請見講義

實驗項目：

A. 平板玻璃的折射率測量

1. 利用圖一的折射光路圖，測量平板玻璃的折射率。

2. 先自行設定一個大約的入射角，將雷射光以此角度入射至平板玻璃。

3. 分別標示以下幾個光點位置：
   ☉    雷射光在雷射出口的｢發射點｣
   ☉    平板玻璃上的｢入射點｣
   ☉    折射後離開平板玻璃的｢出射點｣
   ☉    反射光束上的任一點。

4. 由以上所標示的各點位置，推算入射角、折射角與反射角等。

5. 利用 Snell’s Law推算平板玻璃的折射率。

6. 請重複上述測量過程三至五次，計算折射率的測量平均值與測量誤差。

7. 請查出平板玻璃可能的折射率為多少。

B. 狹縫與光柵的繞射

(本實驗的雷射光波長為 632.8 nm)

1.  實驗裝置的位置如上圖所示。
   S1為單狹縫、雙狹縫與光柵的位置；S2為觀察繞射圖形的觀察平面。
   z為S1、S2之間的距離。

2. 雷射光束照射於上述之狹縫與光柵時，必須注意光束的入射角度。建議與這些光學元件保持垂直的關係。
   另外，對於雙狹縫的繞射，請確定雷射光的光束有同時涵蓋兩個狹縫。

3. 請先在單狹縫、雙狹縫與光柵三者之中，選其中一個放在S1的位置。

4. 將雷射光束與S1上的元件對準之後，請於觀察平面S2觀察繞射(或干涉)的圖形。並請辨認中央亮帶的位置、暗紋的位置等。

5. 量測觀察平面S2繞射(或干涉)圖形的條紋間距 Dx。

6. 量測S1、S2之間的距離z。

7. 由上述測量結果，推算S1位置上的狹縫寬度、狹縫間隔等規格。

8. 重複上述的測量過程三到五次，計算測量的平均值與誤差。

9. 更換S1位置上的元件，重複3~8的實驗程序。

※ 調整光路時，請注意將雷射光束限制在自己的實驗桌範圍內，千萬不要外漏到其他同學的實驗範圍中。請各位保護自己的眼睛，避免受到雷射光束的傷害 !!

參考資料：

• 教學影片 YouTube
• Concepts and History history