光的折射

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折射斯涅尔定律全反射色散

光的折射

看完你能用惠更斯原理推导斯涅尔定律,掌握全反射临界角与色散机制

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折射斯涅尔定律全反射色散

光的折射

看完你能用惠更斯原理推导斯涅尔定律,掌握全反射临界角与色散机制

1第 1 页 · 光的折射

什么是光的折射

上一页我们看到,光从空气钻进水里时,水中的光线不再沿原方向前进。先从熟悉的“斜着走过不同路面”想:脚下条件一变,再观察路线怎样跨过两边的分界线?

介质界面
光从一种介质进入另一种介质时,必须跨过两者的分界面。
速度改变
介质中的光速取决于介质性质,因此跨界面时速度会改变。
非垂直入射
斜入射时传播方向改变;垂直入射时方向不变,但仍发生折射。
频率保持不变
介质改变的是传播速度和波长,不改变光的频率。
滑板斜冲沙地对应 →光的折射

沙地让滑行速度突然改变,路线在交界处折转

2第 2 页 · 什么是光的折射

生活中的折射现象

把筷子斜插进水里,水面下的部分好像错位了;蹲在池塘边看鱼,鱼的位置总比实际浅一些。这些日常错觉,背后藏着同一种物理现象。

筷子"折断"
筷子斜插入水中,水面交界处像被折弯,源自水下部分反射光在水面折射
池水"变浅"错觉
斜看水下物体时,光从水到空气折射使像上抬,鱼的真实位置比看到的更深
彩虹的形成
阳光进入雨滴先折射色散,内部反射一次再折射出,不同色光偏折角度不同
潜水者仰头看岸上树对应 →岸上人俯身看水里鱼

同一水面两侧都发生折射,光路可逆,像的位置方向相反

n1sinθ1=n2sinθ2n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2
3第 3 页 · 生活中的折射现象

折射现象的要素

顺着光的传播路径,认识入射光、法线、界面与两个角的依赖关系。

图解渲染中…
a3法线是垂直于界面的人为参考线a6两种介质的分界面
4第 4 页 · 折射现象的要素

折射 vs 反射

反射和折射都发生在界面,但光去哪完全不同——最容易搞混的一对。

反射
  • 光回到原介质
  • 反射角等于入射角
  • 不改光的快慢
折射
  • 光进入新介质
  • 入射角不等于折射角
  • 光速发生改变
光碰到界面,选哪个取决于它是否穿过:穿过去是折射,返回原介质是反射。
5第 5 页 · 折射 vs 反射

光的折射定律

上一页我们辨认出了入射角和折射角——它们不是孤立的,今天要把这两个角之间的定量关系精确写出来。

三线共面
入射光线、折射光线、法线在同一平面内
两角分居法线两侧
入射角与折射角分居法线两侧
折射定律
入射角正弦与折射角正弦之比为常数
光路可逆
光沿折射路径反向入射,仍满足同一比值
小车从平地斜驶入沙地对应 →光从空气斜射入水

先接触沙地的轮子先减速,车身偏转;光速变化时,同理使光线弯折

n1sinθ1=n2sinθ2n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2
6第 6 页 · 光的折射定律

斯涅尔定律的数学表达

两支并行:n₁与θ₁走一支得n₁sinθ₁,n₂与θ₂走另一支得n₂sinθ₂,最终汇成斯涅尔定律。

图解渲染中…
a1入射侧介质的折射率,描述介质1的光学密度a2折射侧介质的折射率,描述介质2的光学密度b1入射光线与界面法线的夹角b2折射光线与界面法线的夹角
7第 7 页 · 斯涅尔定律的数学表达

折射角大小规律

比较折射角和入射角的大小,关键看光从哪种介质进入哪种介质。

1
比较折射率
先看 n₁、n₂ 谁大,n 大的那侧是光密介质
2
疏→密
光从光疏进入光密时,折射角小于入射角,向法线偏折
3
密→疏
光从光密进入光疏时,折射角大于入射角,远离法线
4
定律验证
代回 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂,两种情形结果自洽
8第 8 页 · 折射角大小规律

光密介质与光疏介质

前面我们用斯涅尔定律解释了折射角的变化规律。但为什么不同介质里光速不一样?有的介质让光跑得慢,有的让光跑得快。这两种介质,我们就叫光密介质和光疏介质。

区分依据
比较光在不同介质中的传播速度大小
光密介质
光在其中传播速度较小,折射率较大
光疏介质
光在其中传播速度较大,折射率较小
常见排序
真空 > 空气 > 水 > 玻璃(光速递减)
易错提醒
密疏指光学性质,与物理密度无必然对应
路上的车流对应 →光在不同介质中传播

车道窄车多时车速慢——光密;车道宽车少时车速快——光疏

v=cn, nv (光密)v = \dfrac{c}{n},\ n \uparrow \Rightarrow v \downarrow\ (\text{光密})
9第 9 页 · 光密介质与光疏介质

光线偏折方向判断

从介质密度比较入手,分支判断折射后光线如何偏折。

图解渲染中…
b1菱形决策点:判断入射侧与折射侧哪个更密c2偏向法线:折射光线向法线靠拢d2偏离法线:折射光线远离法线
10第 10 页 · 光线偏折方向判断

折射率的定义

上一页我们说了光密、光疏介质——为什么不同介质让光偏折程度不同?因为光在不同介质里跑的速度不一样。折射率就是量化这个「慢多少」的数。

绝对折射率
光在真空中速度 c 除以在该介质中速度 v
公式表达
n = c/v,c 永远是真空中光速约 30 万 km/s
介质的属性
同一介质 n 是定值,不随入射角变化
取值范围
n ≥ 1,真空中 n=1,其他介质都大于 1
汽车从柏油路开进沙地对应 →光从真空进入介质

沙越松越难走=介质 n 越大光越慢、偏折越厉害

n=cvn = \dfrac{c}{v}
11第 11 页 · 折射率的定义

相对折射率

上一页我们给每种介质定义了绝对折射率 n = c/v。但物理学家更喜欢问「光从 A 进 B 时偏折多少」——也就是两介质之间的比值。这个「相对量」就叫相对折射率。

相对折射率定义
介质2相对介质1的折射率 n₂₁,等于 n₂/n₁
速度比形式
代入 n=c/v 化简,得 n₂₁ = v₁/v₂
物理含义
n₂₁>1 表明光在介质2中比介质1跑得慢
实验优势
不需测真空光速 c,直接由两介质光速算
汇率对应 →相对折射率

汇率是两国货币间的比值,n₂₁ 是两介质光速的比值;二者都满足互为倒数

n21=n2n1=v1v2n_{21}=\dfrac{n_2}{n_1}=\dfrac{v_1}{v_2}
12第 12 页 · 相对折射率

折射率与光速的关系

上一页我们写出了 n = c/v。今天换一个角度问:光进入介质后真的变慢了吗?为什么真空中最快是物理的必然,而不是巧合?

真空中光速 c
约 3×10⁸ m/s,自然界的速度上限
介质中光速 v
进入介质后被原子电磁场「拖慢」,v < c
n = c/v 的含义
n 是「减速系数」:v 越小,n 越大
n ≥ 1 的必然
真空最快,介质只能减速,不能让光更快
空气的近似
n_air ≈ 1.00029,日常计算直接取 1
跑道 vs 沙地跑步对应 →光在真空 vs 介质中传播

真空像塑胶跑道最快;玻璃像沙地每步被拖,n 就是「慢几倍」

n=cvn = \dfrac{c}{v}
13第 13 页 · 折射率与光速的关系

常见介质的折射率

上页我们用入射角和折射角的正弦比定义了折射率,那空气、水、玻璃这些常见物质的数值到底是多少?记住几个典型值,做题时心里就有数了。

空气 ≈1.00
几乎等于真空,光几乎不偏折
水 1.33
日常最常见的液体,约等于 4/3
玻璃 1.5~1.9
因成分而异,不是单一数值
钻石 2.42
自然物质中折射率最高的透明体
跑步穿过不同地形对应 →光穿过不同介质

跑道顺畅≈空气;草地费劲≈水;沙地难行≈玻璃;荆棘丛≈钻石

14第 14 页 · 常见介质的折射率

光速 vs 折射率 vs 密度

「密度大→折射率大」是直觉,真实链条是「光速慢→折射率大」,密度只是间接因素。

密度↔折射率?
  • 直觉印象:密度大→折射率大,水比空气折射率大
  • 反例打脸:橄榄油比水轻,折射率却更高
  • 关系本质:非严格正比,存在例外和复杂因素
光速↔折射率
  • 公式定义:n=c/v,严格数学反比
  • 实验验证:测出 v 立即得出 n,无需查密度
  • 关系本质:绝对对应,从不例外
记住因果链:折射率由光速严格定义 (n=c/v),密度只是间接影响光速的因素之一,不能直接等同于折射率。
15第 15 页 · 光速 vs 折射率 vs 密度

已知入射角求折射角

从已知入射角出发,先锁定介质与角度基准,再求折射角并检查结果。

1
确认介质与角度
确定 n₁、n₂ 和入射角 θ₁;各角均相对法线测量
2
代入折射公式
将已知量代入 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂
3
求角并验算
计算 θ₂=arcsin[(n₁/n₂)sinθ₁],并检查取值范围
16第 16 页 · 已知入射角求折射角

已知折射角求入射角

反过来解:从折射角和两侧介质折射率出发,反推出入射角大小。

1
定介质与方向
题目必须给出两侧折射率 n₁、n₂,先确认光从哪侧射入(θ₁ 所在侧)
2
列斯涅尔定律
写出 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂,此时 θ₁ 留在等号左边当未知量
3
解出 sinθ₁
移项得 sinθ₁ = (n₂/n₁)·sinθ₂,把已知数值代入算出结果
4
取 arcsin 并校验
θ₁ = arcsin(…),确认值在 [0°,90°] 且没有越过全反射临界角
17第 17 页 · 已知折射角求入射角

利用折射定律求折射率

前几页都是「已知折射率求角度」。现在反过来:实验桌上摆着一块玻璃,怎么测出它的折射率?办法就是——造一道光,量两个角,套公式。

实验原理
光从空气射入未知介质,量出入射角 θ₁ 与折射角 θ₂
公式推导
空气 n₁≈1,由斯涅尔定律得 n = sinθ₁/sinθ₂
实验装置
用半圆形玻璃砖,光从圆心射入,便于精确读数
边界提示
多次测量取平均;垂直入射 θ₂=0,此法失效
从力求加速度对应 →从角度求折射率

同一公式正用求 a,反用就是求 n

n1sinθ1=n2sinθ2n=sinθ1sinθ2n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2 \Rightarrow n = \frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}
18第 18 页 · 利用折射定律求折射率

折射率测定实验原理

上方是光在容器里的物理路径,下方把可测的三个量汇聚到几何方程,反推出折射率。

图解渲染中…
A5出射光相对入射方向的横向距离,实验中用刻度尺量取B2t 为容器两平行壁内侧的距离,需提前标定C1sin(i−r)=d·cos r/t,r 同时出现在两边需迭代求解D1最终目标:待测液体的折射率 n
19第 19 页 · 折射率测定实验原理

折射定律应用自测

点击作答

光从玻璃(n=1.5)斜射入空气(n≈1.0),入射角为30°,折射角为θ。关于θ的大小,下列判断正确的是?

20第 20 页 · 折射定律应用自测

光路可逆性原理

你看到水里的鱼,光线从鱼经水面折射后进入你眼中。如果反过来——从你眼睛位置向水中射一束光,它会沿原路直击那条鱼。光走的路,反过来走也对。

光路可逆的含义
光从A到B沿某路径传播;若在B点反向入射,光严格沿原路径返回A
折射情形成立
折射光反向入射时,仍沿原入射光路返回第一种介质
反射情形也成立
反射光反向入射时,沿原入射光路返回入射侧
数学根源
斯涅尔定律方程左右对称,交换两侧介质下标仍成立
解题妙用
把光线方向反过来想,可把求入射角转化为求折射角
录像倒放对应 →光路可逆

正放人从A走到B;倒放时从B回到A,每一步都踩在原路径上

n1sinθ1=n2sinθ2n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2
21第 21 页 · 光路可逆性原理

折射光路可逆图解

看正向(实线)与反向(虚线)两条光路如何共用同一路径,验证可逆性。

图解渲染中…
a1介质1中的端点A,正向起点b1界面上的入射/折射点Oc1介质2中的端点B,正向终点
22第 22 页 · 折射光路可逆图解

光路可逆性的应用

上一页我们看到,光路是可逆的:A→B 与 B→A 走的是同一条路径。这条性质看似简单,实则在三个方向上能直接帮我们解决问题。

水下物体的像位置
从空气斜看水中物体,像比实际位置浅,可用可逆性反推光线交汇点
反向追迹
已知出射方向可推入射,省去从入射重新算起
等效替代设计
用逆向光路替代正向,画光路图与设计镜头组都受益
走迷宫对应 →反向追迹

正向找不到出口,原路返回就回到起点

23第 23 页 · 光路可逆性的应用

视深与实际深度

把筷子斜插入水中,水面下的部分看起来向上弯折了——你看水底,也觉得它好像变浅了。上页讲到光路可逆,那么光线从水底到眼睛,走的是怎样的路径?

视深
眼睛看到的物体到水面的距离,比真实距离近
关系式
视深 = 实际深度 ÷ n,n 是介质的折射率
光路可逆
水底光折射后入眼,大脑沿入射光反向延长去找发光点
实测验证
池底看上去只有真实深度的一半,n≈1.33,结果吻合
池底的硬币对应 →视深偏浅

反向延长折射光找位置,错位的正是视深所在

h=hnh' = \dfrac{h}{n}
24第 24 页 · 视深与实际深度

全反射现象

上一节我们知道,光从水射向空气时折射角总比入射角大。不断加大入射角,折射角会先撞上90°——之后再加大一点,会发生什么?

临界角 θc
折射角刚好等于90°时的入射角
全反射条件
入射角超过临界角,且光必须从光密→光疏
全反射现象
折射光完全消失,光全部返回原介质
全反射特点
反射率100%,能量毫无损失地弹回来
水下抬头看水面对应 →全反射

角度小时能看穿到天空;角度太大时水面变镜子,只看到水底倒影

sinθc=nn\sin\theta_c = \dfrac{n_{\text{疏}}}{n_{\text{密}}}
25第 25 页 · 全反射现象

临界角

上一页我们看到光从玻璃射向空气时,入射角大到一定程度后,折射光完全消失——这就是全反射。那么问题来了:全反射到底从哪个角度开始?这就是临界角。

临界角定义
折射角刚好等于90°时的入射角,记为C
适用条件
光从光密介质射向光疏介质,否则无临界角
临界角公式
由斯涅尔定律在折射角=90°的特例下推出
分界意义
入射角 < C 仍有折射光;≥ C 全部反射回原介质
介质关系
n₁/n₂ 越大,C 越小,全反射越容易发生
水烧到100°C那一刻对应 →临界角瞬间

100°C前液态、C前有折射;之后气态、之后全反射;都是相变临界点

sinC=n2n1,n1>n2\sin C = \dfrac{n_2}{n_1},\quad n_1 > n_2
26第 26 页 · 临界角

全反射临界角计算

算临界角分三步走——先判光走的方向对不对,再把公式立起来,最后查反三角函数得角度。

1
判方向
确认光从光密介质射向光疏介质,即 n₁ > n₂
2
列公式
设折射角 90° 代入斯涅尔定律,得 sinC = n₂/n₁
3
求角度
C = arcsin(n₂/n₁),代入折射率数值计算
27第 27 页 · 全反射临界角计算

全反射的应用

上一节算出了临界角。临界角一过,光就彻底被界面挡回——这看似'失败'的现象,工程师却把它做成了三件大事:光纤通信、全反射棱镜、海市蜃楼。

光纤通信
光在纤芯与包层界面反复全反射,沿弯曲线缆远距离传输信号
全反射棱镜
用三角棱镜替代金属反光镜,光在玻璃内全反射改变光路方向
蜃景现象
沙漠或海面空气密度梯度使光发生全反射,观察者看到远处物体的虚像
全反射的优势
反射率理论上100%,无吸收无损耗,优于金属镜面的部分吸收与氧化
弯曲管道里弹来弹去的弹珠对应 →光纤里全反射的光线

弹珠撞管壁弹回对应光在纤芯界面全反射,沿弯路径一路传下去

28第 28 页 · 全反射的应用

棱镜的色散

你看过雨后彩虹吗?太阳光进入空气中漂浮的小水滴后被分解成七色光——这一现象的本质,与三棱镜色散完全相同。白光,其实从来不是单一颜色。

白光非单色
白光由红橙黄绿蓝靛紫七种色光复合而成
色光决定折射率
同一介质中,不同色光折射率不同,紫光折射率 > 红光
红偏小紫偏大
紫光偏折最厉害,红光偏折最轻微,中间色光介于其间
雨后彩虹对应 →棱镜色散

白光经水滴/棱镜折射后,都分解为相同顺序的七色光谱

n<n<<nn_{\text{红}} < n_{\text{橙}} < \cdots < n_{\text{紫}}
29第 29 页 · 棱镜的色散

色散的成因

棱镜把白光分成七色——但玻璃是同一块玻璃。为什么紫光偏折得最厉害,红光几乎贴着原方向走?答案藏在介质对不同波长的「态度」里。

折射率是波长的函数
同一介质对不同波长λ的光呈现不同折射率,n是λ的函数
紫光折射率大于红光
波长越短折射率越大:n紫 > n蓝 > … > n红,紫光偏折最厉害
波动性根源
光波驱动介质内电子振荡,电子响应与光频相关,n(λ)由此产生
水面的长浪与短浪对应 →介质中的长波与短波

同一片水里长波走得快、短浪走得慢——折射率差异类似传播差异

30第 30 页 · 色散的成因

彩虹的形成

上一页讲到,棱镜靠折射率差异把白光分成七色。彩虹不是棱镜做的,而是无数悬浮的小水滴——每一滴都像一台微型分光仪,把阳光按特定角度分解成七色彩带。

路径三步
进水滴折射一次→内壁反射一次→出水滴再折射一次
总偏折约138°
入射到出射总偏角约138°,即从太阳逆方向往外约42°处最亮
42°最亮
此角偏折随入射变化最慢,光线聚集形成亮弧而非均匀散光
色散分层
红光折射率最小出射角最大排外,紫光相反排内
玻璃弹珠里的光路对应 →水滴分光过程

进弹珠=折射;撞内壁=反射;出来再折射——和彩虹路径完全一样

D=2i4r+180°,sini=nsinrD = 2i - 4r + 180°, \quad \sin i = n \sin r
31第 31 页 · 彩虹的形成

平面折射成像原理

沿箭头读:物点S发光→水面折射→入眼→眼球反向直线追踪→延长线交于虚像S'。

图解渲染中…
a1实物所在位置,水面下深处g1人眼感知的虚像位置,比实物浅
32第 32 页 · 平面折射成像原理

折射成像的规律

透过水面看水底,物体比实际浅;斜插水中的筷子,从外面看是弯的。这两个现象背后是同一条规律:折射光进入眼睛后,大脑沿直线反推,就把物体的位置判断错了。

逆光路反推视位置
大脑不知光被折射,按入射光反向延长线判断物体位置
筷子弯折现象
水下段不同点出射光偏折不同,筷子像在水面被折断
水底变浅现象
从空气垂直看水中物体,视深度小于实际深度
统一偏移规律
折射成像总让物体位置向界面方向偏移
玻璃缸里的鱼对应 →折射成像位置偏移

鱼在深处,眼睛按折射光反推延长线,所以看到更浅

d=dn(从空气垂直看水中物体)d_{\text{视}} = \dfrac{d_{\text{实}}}{n} \quad (\text{从空气垂直看水中物体})
33第 33 页 · 折射成像的规律

费马原理简介

前面我们用斯涅尔定律描述了折射规律,但为什么光偏偏会走折射这条路呢?费马原理给出了一个更深层的答案——光在传播时会取光程的极值路径。

光程
光程 = n × 几何路程,是光在该介质中传播的「等效距离」
费马原理
光在两点间沿光程取极值(多为最小)的路径传播
推导思路
在路径族中求总时间极小,由变分条件推出斯涅尔定律
极值条件
对路径变分令 δT = 0,推出 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂
救生员跑沙滩再下水对应 →费马原理

跑道与水道速度不同,救生员自动选总时间最短的路径

光程 $L = n \cdot l$ 极值条件 $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
34第 34 页 · 费马原理简介

从费马原理推导折射定律

费马原理说:光总是走光程取极值的那条路径。现在拿它去做一道具体的题——在两层介质的分界面上,对入射点的位置求导令其为零,看斯涅尔定律会不会从「极值」里自动冒出来。

几何与目标
A 在介质1,B 在介质2,光线穿过界面上的入射点 x,把光程写成 x 的函数
极值条件
对 x 求导令其为零:d(OPL)/dx = 0,光程在该点取驻值
三角化简
求导后几何比值恰好是正弦,整理出 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂
结论自洽
变分推出的结果与实验定律完全一致,说明费马原理更基本
救生员的最佳救援路线对应 →折射定律的变分推导

陆上跑得快、水里游得慢,最佳路径在岸线偏折;速度比决定偏折角度

OPL(x)=n1a2+x2+n2b2+(dx)2,dOPLdx=n1sinθ1n2sinθ2=0n1sinθ1=n2sinθ2\text{OPL}(x)=n_1\sqrt{a^2+x^2}+n_2\sqrt{b^2+(d-x)^2},\quad\frac{d\text{OPL}}{dx}=n_1\sin\theta_1-n_2\sin\theta_2=0\Rightarrow n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2
35第 35 页 · 从费马原理推导折射定律

折射知识全景

  • 折射本质是光速变化,sinθ之比等于两介质光速之比
  • 折射率与密度无简单正比,关键在介质的电磁响应
  • 全反射是折射的临界情形:超过临界角透射光消失
  • 色散揭示折射率随波长变化,不同色光沿不同路径行进
  • 费马原理统一解释反射与折射:光沿光程极值路径传播
延伸主题:透镜成像与几何光学惠更斯原理与波动解释光的偏振与布鲁斯特定律
36第 36 页 · 折射知识全景

核心公式汇总

  • n₁sinθ₁=n₂sinθ₂:折射定量计算的统一起点
  • n=c/v:折射率本质是介质中光速与真空中光速之比
  • sinC=n₂/n₁:仅在n₁>n₂时存在,标志全反射起点
  • 三公式层层嵌套:临界角公式可由斯涅尔定律推出
延伸主题:布儒斯特角与偏振透镜成像公式色散的定量描述
37第 37 页 · 核心公式汇总

课后思考

先自己想,再看答案——三题从原理回顾递进到工程边界。

1请设计实验:用最少器材测出冰的折射率(≈1.31),并估算误差量级。

参考答案关键:找到平整界面。让激光从空气斜射入冰块,记录入射角与折射角,由 n=sinθ₁/sinθ₂ 求出。误差主要来自角度测量精度与冰面平整度,量级约 1%–3%。

2把筷子斜插入水中,水下部分看起来向上弯折。若筷子与水面夹角45°,请你定量算出弯折的角度,并解释为什么看起来变浅了。

参考答案水下光线与法线夹角45°,由 sin45°×1.33=sinθ空 得 θ空≈70.1°,弯折约25°。原因:光从光密到光疏介质时偏离法线,水下物体视深被压缩。

3光纤用全反射传光。若纤芯折射率1.50、包层1.45,从空气射入光纤的最大入射角是多大?这个角度有什么实际意义?

参考答案临界角 sinθ_c=1.45/1.50≈75.2°,纤芯内光线与轴线夹角≤14.8°。反推空气侧最大入射角约22.5°——这正是数值孔径 NA≈0.38,决定光纤集光能力。

38第 38 页 · 课后思考