Introduction Have you ever noticed how light behaves when it hits different surfaces? Sometimes, light bounces off a mirror (reflection), and other times, it bends when passing through water (refraction). But there’s a special kind of reflection called total internal reflection (TIR) that works differently from ordinary reflection. Why do scientists separate these two? Let’s explore! What... » read more
前言 你有沒有注意過光線照射在不同表面時的表現？有時候光線會從鏡子上反射回來（反射），有時候穿過水時會彎曲（折射）。但有一種特殊的反射叫做「全內反射」(Total Internal Reflection, TIR)，它和普通反射的運作方式不同。為什麼科學家要區分這兩者呢？讓我們一起來探索！ 什麼是普通反射？ 普通反射發生在光線碰到表面並反彈時。例如： 普通反射的關鍵特點： 什麼是全內反射（TIR）？ 全內反射則不同——它只在特定條件下發生： 當這些條件滿足時，所有光線都會反射回原介質——沒有任何光線逃逸！ 全內反射的例子： 兩者有何不同？ 特性 普通反射 全內反射 發生條件 任何表面 僅在兩種介質的邊界（高密度到低密度） 所需角度 任何角度 必須大於臨界角 反射光量 部分反射 全部反射 光線能否穿透？ 可以（部分穿透） 不行（完全反射） 為什麼要區分這兩者？ 科學家和工程師區分它們的原因包括： 結論 普通反射和全內反射都涉及光線的反彈，但它們的運作方式不同。普通反射隨處可見，而全內反射需要特殊條件，並在科技中有獨特的應用。透過理解它們，我們可以創造出驚人的發明——從高速網路到閃耀的珠寶！
引言 你是否注意过光线照射在不同表面时的表现？有时候光线会从镜子上反射回来（反射），有时候穿过水时会弯曲（折射）。但有一种特殊的反射叫做”全内反射”(Total Internal Reflection, TIR)，它和普通反射的运作方式不同。为什么科学家要区分这两者呢？让我们一起来探索！ 什么是普通反射？ 普通反射发生在光线碰到表面并反弹时。例如： 普通反射的关键特点： 什么是全内反射（TIR）？ 全内反射则不同——它只在特定条件下发生： 当这些条件满足时，所有光线都会反射回原介质——没有任何光线逃逸！ 全内反射的例子： 两者有何不同？ 特性 普通反射 全内反射 发生条件 任何表面 仅在两种介质的边界（高密度到低密度） 所需角度 任何角度 必须大于临界角 反射光量 部分反射 全部反射 光线能否穿透？ 可以（部分穿透） 不行（完全反射） 为什么要区分这两者？ 科学家和工程师区分它们的原因包括： 结论 普通反射和全内反射都涉及光线的反弹，但它们的运作方式不同。普通反射随处可见，而全内反射需要特殊条件，并在科技中有独特的应用。通过理解它们，我们可以创造出惊人的发明——从高速网络到闪耀的珠宝！
If you’ve been studying optics in your physics class, you’ve probably noticed something strange about how we draw lenses and mirrors in ray diagrams. Even though real lenses are curved, we represent them as straight vertical lines in our diagrams. Similarly, when drawing light rays, we show parallel rays bending to pass through the focal... » read more
如果你們在物理課上學習光學，你可能已經注意到一個奇怪的現象：在繪製光線圖時，即使真實的透鏡是彎曲的，我們卻用垂直的直線來表示它們。同樣地，當我們畫平行於主軸的光線時，我們直接讓折射後的光線通過焦點，而不是嚴格遵循折射定律在每個點的變化。為什麼我們要這樣做呢？讓我們來探討這些簡化背後的原因。 光線圖的目的 首先，了解光線圖的用途很重要。這些圖畫並不是要精確呈現光線在透鏡或鏡子每個點上的行為，而是幫助我們預測成像位置和圖像特徵的簡化模型。 就像卡通畫用簡單線條表現複雜物體的主要特徵一樣，光線圖簡化了光學系統，讓我們更容易理解光的整體行為。這種簡化使我們無需陷入複雜的數學計算，就能處理透鏡和鏡子的問題。 薄透鏡近似法 用直線表示透鏡是基於物理學家所稱的「薄透鏡近似法」。這意味著我們假設： 實際上，光線在通過透鏡的曲面時確實是逐漸偏折的。但對於薄透鏡，我們可以假設所有偏折都發生在透鏡的中心平面上，這樣仍能準確預測光的行為。 為什麼平行光線會聚在焦點 當我們畫一條平行於主軸的光線偏折後通過焦點時，這是基於透鏡實際工作原理的另一種簡化： 這之所以可行，是因為透鏡曲面的特殊設計。曲面形狀經過專門計算，使平行光線能會聚在焦點。我們的直線表示法捕捉了這種整體行為，而無需展示精確的彎曲路徑。 鏡子的類似處理方法 同樣的原則也適用於曲面鏡： 同樣地，這之所以可行，是因為鏡子的曲率設計使平行光線能會聚在焦點，所以我們的簡化圖顯示了正確的最終行為。 簡化的好處 這些簡化非常有用，因為： 隨著你們繼續學習物理，你們會學到更精確的方法來考慮透鏡厚度和確切的折射角度。但現在，這些簡化模型提供了理解透鏡和鏡子工作原理的有效方式。 簡化失效的情況 值得注意的是，這些簡化並非在所有情況下都完美適用。在以下情況它們會變得不那麼準確： 但對於大多數日常情況——如眼鏡、放大鏡和簡單望遠鏡——薄透鏡近似法已經足夠好了。 結論 所以請記住，當你把透鏡畫成直線或讓光線直接偏折到焦點時，你並沒有犯錯——你正在使用一種精心設計的簡化方法，這種方法捕捉了光的本質行為，同時使問題易於處理。這正是科學家常用的工作方式：創建能抓住複雜現象關鍵特徵的簡化模型。隨著你們學習的深入，你們將在這些基礎上進一步理解光學更複雜的方面。
如果你们在物理课上学习光学，你可能已经注意到一个奇怪的现象：在绘制光线图时，即使真实的透镜是弯曲的，我们却用垂直的直线来表示它们。同样地，当我们画平行于主光轴的光线时，我们直接让折射后的光线通过焦点，而不是严格遵循折射定律在每个点的变化。为什么我们要这样做呢？让我们来探讨这些简化背后的原因。 光线图的目的 首先，了解光线图的用途很重要。这些图画并不是要精确呈现光线在透镜或镜子每个点上的行为，而是帮助我们预测成像位置和图像特征的简化模型。 就像简笔画用简单线条表现复杂物体的主要特征一样，光线图简化了光学系统，让我们更容易理解光的整体行为。这种简化使我们无需陷入复杂的数学计算，就能处理透镜和镜子的问题。 薄透镜近似法 用直线表示透镜是基于物理学家所称的”薄透镜近似法”。这意味着我们假设： 实际上，光线在通过透镜的曲面时确实是逐渐偏折的。但对于薄透镜，我们可以假设所有偏折都发生在透镜的中心平面上，这样仍能准确预测光的行为。 为什么平行光线会聚在焦点 当我们画一条平行于主光轴的光线偏折后通过焦点时，这是基于透镜实际工作原理的另一种简化： 这之所以可行，是因为透镜曲面的特殊设计。曲面形状经过专门计算，使平行光线能会聚在焦点。我们的直线表示法捕捉了这种整体行为，而无需展示精确的弯曲路径。 镜子的类似处理方法 同样的原则也适用于曲面镜： 同样地，这之所以可行，是因为镜子的曲率设计使平行光线能会聚在焦点，所以我们的简化图显示了正确的最终行为。 简化的好处 这些简化非常有用，因为： 随着你们继续学习物理，你们会学到更精确的方法来考虑透镜厚度和确切的折射角度。但现在，这些简化模型提供了理解透镜和镜子工作原理的有效方式。 简化失效的情况 值得注意的是，这些简化并非在所有情况下都完美适用。在以下情况它们会变得不那么准确： 但对于大多数日常情况——如眼镜、放大镜和简单望远镜——薄透镜近似法已经足够好了。 结论 所以请记住，当你把透镜画成直线或让光线直接偏折到焦点时，你并没有犯错——你正在使用一种精心设计的简化方法，这种方法捕捉了光的本质行为，同时使问题易于处理。这正是科学家常用的工作方式：创建能抓住复杂现象关键特征的简化模型。随着你们学习的深入，你们将在这些基础上进一步理解光学更复杂的方面。
Have you ever noticed how a straw in a glass of water looks bent or how a swimming pool seems shallower than it really is? These strange effects happen because light changes speed when it moves from air into water or other materials. But why does light slow down when it enters a medium like... » read more
你有沒有注意到，水杯中的吸管看起來是彎曲的，或是游泳池看起來比實際更淺？這些奇特的現象是因為光從空氣進入水或其他物質時速度發生了改變。但為什麼光進入水、玻璃或塑膠等介質時會減速呢？讓我們一起探索這個有趣的現象！ 光在介質中會發生什麼？ 在真空狀態下，光以最快速度傳播——約每秒30萬公里（即每秒18.6萬英里）。這是宇宙中最快的速度！然而，當光進入水、玻璃或空氣等物質時，速度就會減慢。例如： 光的波粒二象性 要理解光為什麼會減速，我們需要知道光既表現得像波，又像一束稱為光子的粒子。當我們討論光在物質中減速時，主要考慮的是它的波動性質。 吸收與再發射過程 以下是科學家認為光進入介質時發生的情況： 一個簡單的比喻：穿過人群的奔跑 想像你在空曠的田野中奔跑——你可以全速前進，沒有任何阻礙。現在想像你在一條擁擠的走廊裡奔跑，必須在人群中穿梭。即使你盡全力奔跑，穿過走廊的速度也會比在空曠的田野中慢，因為你不斷碰到人並改變方向。 光的行為類似。在真空中，沒有任何東西阻礙它。但在物質中，光不斷與原子相互作用，這減慢了它的整體進程，儘管在原子之間它仍然以真空中的光速傳播。 不同物質，不同速度 並非所有物質都會以相同程度減慢光速。光減速的程度取決於物質中的電子如何與光相互作用。電子與光相互作用更強的物質會使光減速更多。這種特性稱為物質的「折射率」。 為什麼這很重要 光的這種減速現象不僅僅是一個有趣的事實——它解釋了許多日常現象： 結論 光在物質中減速是因為它與這些物質中的原子相互作用。雖然光在原子之間總是以相同速度傳播（真空中的光速），但原子不斷吸收和再發射造成的微小延遲，使得整體速度看起來變慢了。光與物質之間這種迷人的相互作用，正是我們日常生活中許多光學現象的原因！
你有没有注意到，水杯中的吸管看起来是弯曲的，或是游泳池看起来比实际更浅？这些奇特的现象是因为光从空气进入水或其他物质时速度发生了改变。但为什么光进入水、玻璃或塑料等介质时会减速呢？让我们一起来探索这个有趣的现象！ 光在介质中会发生什么？ 在真空状态下，光以最快速度传播——约每秒30万公里（即每秒18.6万英里）。这是宇宙中最快的速度！然而，当光进入水、玻璃或空气等物质时，速度就会减慢。例如： 光的波粒二象性 要理解光为什么会减速，我们需要知道光既表现得像波，又像一束称为光子的粒子。当我们讨论光在物质中减速时，主要考虑的是它的波动性质。 吸收与再发射过程 以下是科学家认为光进入介质时发生的情况： 一个简单的比喻：穿过人群的奔跑 想象你在空旷的田野中奔跑——你可以全速前进，没有任何阻碍。现在想象你在一条拥挤的走廊里奔跑，必须在人群中穿梭。即使你尽全力奔跑，穿过走廊的速度也会比在空旷的田野中慢，因为你不断碰到人并改变方向。 光的行为类似。在真空中，没有任何东西阻碍它。但在物质中，光不断与原子相互作用，这减慢了它的整体进程，尽管在原子之间它仍然以真空中的光速传播。 不同物质，不同速度 并非所有物质都会以相同程度减慢光速。光减速的程度取决于物质中的电子如何与光相互作用。电子与光相互作用更强的物质会使光减速更多。这种特性称为物质的”折射率”。 为什么这很重要 光的这种减速现象不仅仅是一个有趣的事实——它解释了许多日常现象： 结论 光在物质中减速是因为它与这些物质中的原子相互作用。虽然光在原子之间总是以相同速度传播（真空中的光速），但原子不断吸收和再发射造成的微小延迟，使得整体速度看起来变慢了。光与物质之间这种迷人的相互作用，正是我们日常生活中许多光学现象的原因！
Have you ever wondered how a rainbow forms or why your TV can show millions of colors using just red, green, and blue light? The secret lies in two amazing ideas: spectral colors and primary colors of light. Let’s explore how they work together to create the colorful world we see! 1. Spectral Colors: Nature’s Pure Rainbow When sunlight... » read more
你是否曾想過彩虹是如何形成的？為什麼電視只用紅、綠、藍三種光就能顯示上百萬種顏色？ 這背後的秘密就在於兩個奇妙的概念：光譜色和光的三原色。讓我們一起探索它們如何共同創造出我們所見的繽紛世界！ 1. 光譜色：大自然最純淨的彩虹 當陽光穿過雨滴或玻璃稜鏡時，會分解成美麗的彩虹。這是因為光由許多不同顏色的光組成，每種顏色都有各自的波長。 有趣小知識：如果你能看到波長為510奈米的光，它會像彩虹中那樣呈現鮮豔的純綠色！ 2. 光的三原色：螢幕如何「欺騙」你的眼睛 現在，有一個驚人的事實：你的眼睛可以被「騙」到只用紅、綠、藍（RGB）三種光就看見幾乎所有顏色！ 為什麼是三種顏色？ 混色原理： 等等……洋紅色不在彩虹裡？沒錯！洋紅色是一種非光譜色——它沒有自己的波長。當你的眼睛同時接收到紅光和藍光（但沒有綠光）時，大腦就會「創造」出這種顏色。 3. 光譜色和三原色有什麼關係？ 舉例： 4. 為什麼這很重要？ 了解這些知識能幫助我們： 結語：顏色背後的科學
你是否曾想过彩虹是如何形成的？为什么电视只用红、绿、蓝三种光就能显示上百万种颜色？ 这背后的秘密就在于两个奇妙的概念：光谱色和光的三原色。让我们一起探索它们如何共同创造出我们所见的缤纷世界！ 1. 光谱色：大自然最纯净的彩虹 当阳光穿过雨滴或玻璃棱镜时，会分解成美丽的彩虹。这是因为光由许多不同颜色的光组成，每种颜色都有各自的波长。 有趣小知识：如果你能看到波长为510纳米的光，它会像彩虹中那样呈现鲜艳的纯绿色！ 2. 光的三原色：屏幕如何”欺骗”你的眼睛 现在，有一个惊人的事实：你的眼睛可以被”骗”到只用红、绿、蓝（RGB）三种光就看见几乎所有颜色！ 为什么是三种颜色？ 混色原理： 等等……洋红色不在彩虹里？没错！洋红色是一种非光谱色——它没有自己的波长。当你的眼睛同时接收到红光和蓝光（但没有绿光）时，大脑就会”创造”出这种颜色。 3. 光谱色和三原色有什么关系？ 举例： 4. 为什么这很重要？ 了解这些知识能帮助我们： 结语：颜色背后的科学