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光的折射

  • 來源:光虎



光的折射光從一種透明介質(zhì)斜射入另一種透明介質(zhì)時,傳播方向一般會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象叫光的折射。


理解:光的折射與光的反射一樣都是發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界處,只是反射光返回原介質(zhì)中,而折射光則進(jìn)入到另一種介質(zhì)中,由于光在在兩種不同的物質(zhì)里傳播速度不同,故在兩種介質(zhì)的交界處傳播方向發(fā)生變化,這就是光的折射。注意:在兩種介質(zhì)的交界處,既發(fā)生折射,同時也發(fā)生反射。反射光光速與入射光相同 ,折射光光速與入射光不同。




基本定義


光從一種透明介質(zhì)(如空氣)斜射入另一種透明介質(zhì)(如水)時,傳播方向一般會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象叫光的折射。


物理意義


折射(refraction),又名屈折,是一個光學(xué)名詞,指光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì),或者在同一種介質(zhì)中折射率不同的部分運(yùn)行時,由于波速的差異,使光的運(yùn)行方向改變的現(xiàn)象。例如當(dāng)一條木棒插在水里面時,單用肉眼看會以為木棒進(jìn)入水中時折曲了,這是光進(jìn)入水里面時,產(chǎn)生折射,才帶來這種效果。




光的折射定律


光從空氣斜射入水或其他介質(zhì)中時,折射光線與入射光線、法線在同一平面上,折射光和入射光分居法線兩側(cè);折射角小于入射角;入射角增大時,折射角也隨著增大;當(dāng)光線垂直射向介質(zhì)表面時,傳播方向不變,在折射中光路可逆。當(dāng)光從水或其他介質(zhì)中斜射入空氣時,折射角大于入射角。

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理解:

折射規(guī)律分三點(diǎn):(1)三線一面 (2)兩線分居(3)兩角關(guān)系分三種情況:①入射光線垂直界面入射時,折射角等于入射角等于0°;②光從空氣斜射入水等介質(zhì)中時,折射角小于入射角;③光從水等介質(zhì)斜射入空氣中時,折射角大于入射角(但存在于空氣中的角總是一個大角)。


在光的折射中光路是可逆的。


折射率(refractive index)


定義:光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時,光在發(fā)生折射時入射角與折射角符合斯涅爾定律(Snell's-Law)。入射角i與折射角r的正弦之比n叫做介質(zhì)的“絕對折射率”,簡稱“折射率”。


斯涅爾定律是因荷蘭物理學(xué)家威理博·斯涅爾而命名,在光學(xué)里,光線跟蹤科技應(yīng)用斯涅爾定律來計(jì)算入射角與折射角。在實(shí)驗(yàn)光學(xué)與寶石學(xué)里,這定律被應(yīng)用來計(jì)算物質(zhì)的折射率。對于具有負(fù)折射率的負(fù)折射率超材料(metamaterial),這定律也成立,允許光波因負(fù)折射角而朝后折射。



?斯涅爾最早發(fā)現(xiàn)了光的折射定律,從而使幾何光學(xué)的精確計(jì)算成為了可能。其中入射光和折射光位于同一個平面上,并且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系:

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其中,分別是兩個介質(zhì)的折射率,分別是入射光(或折射光)與界面法線的夾角,叫做入射角和折射角。


1637年,法國人R.笛卡兒在《折光學(xué)》一書中首次公布了具有現(xiàn)代形式正弦之比的規(guī)律。與光的反射定律一樣,最初由實(shí)驗(yàn)確定的折射定律可根據(jù)費(fèi)馬原理、惠更斯原理或光的電磁理論證明之。(上述光的折射定律只適用于由各向同性介質(zhì)構(gòu)成的靜止界面。


全反射


光由光密(即光在其中傳播速度較小的)媒質(zhì)射到光疏(即光在其中傳播速度較大的)媒質(zhì)的界面時,全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。




當(dāng)光射到兩種介質(zhì)界面,只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象.當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時,折射角將大于入射角.當(dāng)入射角增大到某一數(shù)值時,折射角將達(dá)到90°,這時在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線,只要入射角大于上述數(shù)值時,均不再存在折射現(xiàn)象,這就是全反射.所以產(chǎn)生全反射的條件是:①光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì).②入射角必須大于臨界角。臨界角是折射角為90度時對應(yīng)的入射角

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(只有光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)且入射角大于臨界角時,才會發(fā)生全反射)


1637年,法國人R.笛卡兒在《折光學(xué)》一書中首次公布了具有現(xiàn)代形式正弦之比的規(guī)律。與光的反射定律一樣,最初由實(shí)驗(yàn)確定的折射定律可根據(jù)費(fèi)馬原理、惠更斯原理或光的電磁理論證明之。


上述光的折射定律只適用于由各向同性介質(zhì)構(gòu)成的靜止界面。


相關(guān)應(yīng)用

1.人們利用折射原理發(fā)明了透鏡透鏡有凸透鏡和凹透鏡,細(xì)分又有雙凸、平凸、凹凸、雙凹、平凹、凸凹六種。

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中央部分比邊緣部分厚的叫凸透鏡,中央部分比邊緣部分薄的叫凹透鏡,凸透鏡具有會聚光線的作用,所以也叫“會聚透鏡”、“正透鏡”(可用于近視與老花鏡),凹透鏡具有發(fā)散光線的作用,所以也叫“發(fā)散透鏡”、“負(fù)透鏡”(可用于近視眼鏡)。


透鏡是組成顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的最基本的光學(xué)元件,物鏡、目鏡及聚光鏡等部件均由單個和多個透鏡組成。如,放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。


2.人們還將用光的全反射原理應(yīng)用在了現(xiàn)代通訊,發(fā)明了光纖。

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光纖上載的不是電信號,而是光信號,這樣使得信號傳輸距離比在電纜上增加許多,節(jié)省了成本,擴(kuò)大了帶寬。



光纖分為兩層,內(nèi)層與外層密度不一樣,為形成全反射創(chuàng)造條件;這樣,當(dāng)光以一定角度入射時,根據(jù)全反射原理,可產(chǎn)生全反射,于是,光在光纖中前進(jìn)所消耗的能量非常小,所以,光信號在光纖中經(jīng)過很長一段距離才需要用一個中繼器加強(qiáng)強(qiáng)度。




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