光的折射

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光的折射光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时,传播方向一般会发生变化,这种现象叫光的折射。


理解:光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处,只是反射光返回原介质中,而折射光则进入到另一种介质中,由于光在在两种不同的物质里传播速度不同,故在两种介质的交界处传播方向发生变化,这就是光的折射。注意:在两种介质的交界处,既发生折射,同时也发生反射。反射光光速与入射光相同 ,折射光光速与入射光不同。




基本定义


光从一种透明介质(如空气)斜射入另一种透明介质(如水)时,传播方向一般会发生变化,这种现象叫光的折射。


物理意义


折射(refraction),又名屈折,是一个光学名词,指光从一种介质进入另一种介质,或者在同一种介质中折射率不同的部分运行时,由于波速的差异,使光的运行方向改变的现象。例如当一条木棒插在水里面时,单用肉眼看会以为木棒进入水中时折曲了,这是光进入水里面时,产生折射,才带来这种效果。




光的折射定律


光从空气斜射入水或其他介质中时,折射光线与入射光线、法线在同一平面上,折射光和入射光分居法线两侧;折射角小于入射角;入射角增大时,折射角也随着增大;当光线垂直射向介质表面时,传播方向不变,在折射中光路可逆。当光从水或其他介质中斜射入空气时,折射角大于入射角。

 



理解:

折射规律分三点:(1)三线一面 (2)两线分居(3)两角关系分三种情况:①入射光线垂直界面入射时,折射角等于入射角等于0°;②光从空气斜射入水等介质中时,折射角小于入射角;③光从水等介质斜射入空气中时,折射角大于入射角(但存在于空气中的角总是一个大角)。


在光的折射中光路是可逆的。


折射率(refractive index)


定义:光从真空射入介质发生折射时,光在发生折射时入射角与折射角符合斯涅尔定律(Snell's-Law)。入射角i与折射角r的正弦之比n叫做介质的“绝对折射率”,简称“折射率”。


斯涅尔定律是因荷兰物理学家威理博·斯涅尔而命名,在光学里,光线跟踪科技应用斯涅尔定律来计算入射角与折射角。在实验光学与宝石学里,这定律被应用来计算物质的折射率。对于具有负折射率的负折射率超材料(metamaterial),这定律也成立,允许光波因负折射角而朝后折射。



 斯涅尔最早发现了光的折射定律,从而使几何光学的精确计算成为了可能。其中入射光和折射光位于同一个平面上,并且与界面法线的夹角满足如下关系:

 



 

其中,分别是两个介质的折射率,分别是入射光(或折射光)与界面法线的夹角,叫做入射角和折射角。


1637年,法国人R.笛卡儿在《折光学》一书中首次公布了具有现代形式正弦之比的规律。与光的反射定律一样,最初由实验确定的折射定律可根据费马原理、惠更斯原理或光的电磁理论证明之。(上述光的折射定律只适用于由各向同性介质构成的静止界面。


全反射


光由光密(即光在其中传播速度较小的)媒质射到光疏(即光在其中传播速度较大的)媒质的界面时,全部被反射回原媒质内的现象。




当光射到两种介质界面,只产生反射而不产生折射的现象.当光由光密介质射向光疏介质时,折射角将大于入射角.当入射角增大到某一数值时,折射角将达到90°,这时在光疏介质中将不出现折射光线,只要入射角大于上述数值时,均不再存在折射现象,这就是全反射.所以产生全反射的条件是:①光必须由光密介质射向光疏介质.②入射角必须大于临界角。临界角是折射角为90度时对应的入射角

 



(只有光线从光密介质进入光疏介质且入射角大于临界角时,才会发生全反射)


1637年,法国人R.笛卡儿在《折光学》一书中首次公布了具有现代形式正弦之比的规律。与光的反射定律一样,最初由实验确定的折射定律可根据费马原理、惠更斯原理或光的电磁理论证明之。


上述光的折射定律只适用于由各向同性介质构成的静止界面。


相关应用

1.人们利用折射原理发明了透镜透镜有凸透镜和凹透镜,细分又有双凸、平凸、凹凸、双凹、平凹、凸凹六种。

 


中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜,中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜,凸透镜具有会聚光线的作用,所以也叫“会聚透镜”、“正透镜”(可用于近视与老花镜),凹透镜具有发散光线的作用,所以也叫“发散透镜”、“负透镜”(可用于近视眼镜)。


透镜是组成显微镜光学系统的最基本的光学元件,物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。如,放大镜、望远镜、显微镜等。


2.人们还将用光的全反射原理应用在了现代通讯,发明了光纤。

 



光纤上载的不是电信号,而是光信号,这样使得信号传输距离比在电缆上增加许多,节省了成本,扩大了带宽。



光纤分为两层,内层与外层密度不一样,为形成全反射创造条件;这样,当光以一定角度入射时,根据全反射原理,可产生全反射,于是,光在光纤中前进所消耗的能量非常小,所以,光信号在光纤中经过很长一段距离才需要用一个中继器加强强度。




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