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朗林物理
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F3 物理重點單元
Total Internal Reflection
全內反射精要
TIR概念 + 光纖應用｜HKDSE 物理高頻考題
Total Internal Reflection 全內反射精要
在 HKDSE 物理 F3 單元中，Total Internal Reflection（全內反射，簡稱 TIR） 是光學部分的重要概念。當光線從光密介質射向光疏介質，且入射角大於臨界角（Critical Angle）時，會發生全內反射，100% 反射而無折射。
TIR 發生條件
- 1. 光線必須由光密介質射向光疏介質（n₁ > n₂）
- 2. 入射角 θ₁ 必須大於臨界角 θc
- 3. 臨界角公式：sin θc = n₂ / n₁
光纖應用（Optical Fibre）
光纖是 TIR 最經典的應用。光纖由核心（Core）和包層（Cladding）組成，利用全內反射原理將光訊號傳輸至數公里外而不損失，是現代通訊的基礎。
精選練習題（附詳細題解）
1. 玻璃對空氣的臨界角為 42°，求玻璃的折射率。
題解： sin θc = 1 / n → n = 1 / sin 42° ≈ 1.49
2. 解釋為什麼光纖需要有包層（Cladding）。
題解： 包層折射率低於核心，確保光線在核心與包層界面發生全內反射，減少光能損失。
3. 入射角 55° 的光線由水射向空氣，會否發生全內反射？（n_water = 1.33）
題解： 臨界角 θc = arcsin(1/1.33) ≈ 48.8°。55° > 48.8°，故會發生 TIR。
4. 光纖通訊的主要優點是什麼？
題解： 訊號衰減極低、頻寬大、不受電磁干擾、傳輸距離長。
5. 鑽石的臨界角約 24.4°，求其折射率。
題解： n = 1 / sin 24.4° ≈ 2.42（鑽石高折射率使其閃耀）
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English Version
Total Internal Reflection (TIR) occurs when light travels from a denser to a rarer medium at an angle greater than the critical angle. It is the fundamental principle behind optical fibres used in high-speed internet and medical endoscopes. Mastering TIR is essential for HKDSE Physics Paper 1.
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