折射定律
当光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象，并且光速发生变化。这种速度变化导致光的传播方向改变。理解折射涉及观察以下描述的两个主要“折射定律”。
折射的介绍
折射是一种常见的光学现象，可以在许多日常情况下观察到。例如，在水杯中的吸管在水面上似乎被弯曲的现象。折射发生是因为光在不同介质中的传播速度不同。例如，光在空气中的传播速度比在水中要快。
折射的两条定律
控制光折射的定律是光学的基本原理。这些是：
折射第一定律
折射第一定律指出，入射光线、折射光线和两个介质交界面的法线都在同一个平面内。
为了理解这一点，可以想象两个物质（例如空气和水）之间的平坦边界。光线落在表面时会弯曲，但入射光线、折射光线以及与表面垂直的线（即法线）都将在同一几何平面内。
折射第二定律（斯涅尔定律）
折射第二定律，也称为斯涅尔定律，将入射角和折射角与两个介质的折射率联系在一起。数学表示如下：
n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)
其中：
n1是第一种介质的折射率。n2是第二种介质的折射率。θ1是入射角。θ2是折射角。
在本图中，水平线代表两个介质的边界。垂直线是表面的法线。入射光线以角度 θ1 撞击边界，并根据 n1 和 n2 的值向法线弯曲或偏离法线，形成角度 θ2。
示例和应用
示例 1：光在水中的折射
考虑光从空气传播到水中。空气的折射率低于水，因此当光进入水中时速度减慢。可以利用斯涅尔定律计算光线的弯曲。
n_air = 1.00
n_water = 1.33
θ_air = 45°
使用斯涅尔定律找到 θ_water：
1.00 * sin(45°) = 1.33 * sin(θ_water)
求解 θ_water 可以得到在水中的折射角。
示例 2：光学镜片
镜片基于折射原理。它们用于将光聚焦在特定的点。凸透镜常用于眼镜、相机和显微镜，通过曲面弯曲光线并在特定点聚焦。
斯涅尔定律的推导
斯涅尔定律可以通过光的波动理论推导出来，它考虑了从一种介质到另一种介质过程中波长的变化，同时保持光的频率不变。设光从速度为v1的介质传播到速度为v2的另一介质。
n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)
推导假设波前在界面处静止，并且在边界上连续。
折射角表示当光从较稀介质传播到较密介质时光速的减小。反之，从水到空气光速增加，折射光线会偏离法线。
实际应用
海市蜃楼
海市蜃楼是由大气中光的折射引起的光学现象。当不同温度的空气层具有不同的折射率时，光在穿过这些层时会弯曲，从而在路面上产生水的幻像。
棱镜
棱镜是一种具有平坦、抛光表面的透明光学元件，可折射光线。折射的角度和方向由棱镜材料的折射率和入射角决定。
棱镜用于将光分解为其光谱颜色，这是由于不同波长的折射率不同所致。
光纤
光纤电缆利用全内反射原理（这是折射的特殊情况）来传输长距离的光信号。通过确保光在核心中不断被折射，光纤实现了数据的高效传输。
练习题
- 一束光线以
30°的入射角从空气进入玻璃。如果玻璃的折射率为1.5，计算折射角。 - 为什么池塘里的鱼看起来比实际更接近水面？使用折射原理解释。
- 光线从钻石进入水中。如果钻石的折射率是
2.42，水的折射率是1.33，计算从钻石到水的这个光线的临界角。
理解和使用折射定律是解释和设计许多现代光学系统的关键，这推动了技术进步和我们对自然世界的理解。
评论