第 章 光的折射 现代生活及科技领城中光的折射现象的利用越来越多。照相机、授影器、望远镜和显微镜 等都是利用透镜的成像規律制成的 光的折射遵循什么規律?怎样运用透镜的成像規律?这一章我们就来学习光的折射以及透 镜的知识
第节光的折射折射率 在初中我们已经知道,当光从一种介质斜射到另 图11-1光的反射和折射现象 一种介质的分界面时,有一部分光线将返回原来的介 质中,而另一部分光线将进入另一种介质,光的传播 方向发生了偏折(图1.1-1)。前一种现象叫做光的反射 ( reflection),后一种现象叫做光的折射( refraction) 光在反射时遵循光的反射定律( reflection law) 反射光线跟入射光线和法线在同一平面内反射光线 和入射光线分居法线的两侧.反射角等于入射角(图 根据光的反射定律,如果使光线逆着原来的反射光线射到界面上,反射光线就逆着原来的 入射光线射出(图1.1-3),也就是说,在反射现象中光路是可逆的。 图11-2反射定律 图113光路可逆 法线 入射角反射角 入射光线 ∠反射光线 光的折射定律光在折射时又遵循什么规律? 大家做 如图1.1-4在方形玻璃缸中注入量的水,将 图L.14观察光的折射 张画有相互垂直的十宇线段的室料板竖直插入水中, 使水平线与水面重合 让漱光笔发出的光斜射向水面,移动激光笔,直 至入射光线掠过皇料板射在水面上,水中的折射光线 是否也椋过了塑料板? 第一章光的折射 移动皇料板,使塑料板上十宇线段的交点与入射 光线的入射点重合,观察折射光线跟入射光线和法线 的关系 比较入射角1(入射光线与法线间的央角)和折射角r(折射光线与法线间的夹角)的大小 固定皇料板,增大入射角,观察折射角的变化 dT 2
从观察到的现象可以知道,折射光线跟入射光线和法线在同一平面内,折射光线和入射光 线分别位于法线的两侧。入射角越大,折射角也越大。 但是入射角跟折射角之间究竞有什么定量的关系呢?1621年,荷兰数学家斯涅耳找到了 入射角与折射角之间的规律:入射角i的正弦跟折射角r的正弦成正比。结合前面观察中得到 的结论,光的折射定律( refraction law)可表述为 折射光线跟入射光线和法线在同一平面内.折射光线和入射光线分居法线的两侧.入射角 的正泫跟折射角的正弦成正比。如果用n表示这个比例常数,就有 sIn 例如,在上面的实验中,当光从空气以入射角为53射入水中时,可以测得折射角为37°, 其比值为1.33。 大家做 将澈光笔发出的光从水中射入空气,观褰入射角与折射角是怎样变化的,入射角比折射角 大还是小?入射角f增大,折射角r怎样变化? 如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上,光线就会逆着原来的入射光线发生折射。这 就是说,在折射现象里,光路也是可逆的 折射率当光从真空进入某种介质时,虽然入射角的正弦跟折射角的正弦之比为一个常 数n,但对不同的介质来说,这个常数n却是不同的。例如,光从真空射入水晶时,这个常数 约为155:光从真空射入水中时,这个常数约为1.33。可见这个常数n跟介质有关,它是一个 反映介质光学性质的物理量。物理学中把光从真空射入某种介质发生折射时,入射角i的正弦 跟折射角r的正弦之比n,叫做这种介质的折射率( refractive index) 折射率n的大小说明了光线从真空射入介质时,介质对光线的偏折程度,其值越大,偏折 程度越大;其值越接近于1,偏折程度就越小。 表11几种介质的折射率 材料 折射率 材料 折射率 金刚石 2.42 二硫化碳 1.63 玻璃 1.5~1.9 甘油 1.47 树脂 1.5~1.8 酒精 1.36 水晶 1.55 水 1.33 冰 1.31 空气 设法用激光笔比较水和油的折射率 3‘
研究表明,光在不同介质中的速度不同,这与光的折射现象有密切关系。某种介质的折射 率,等于光在真空中的传播速度c跟光在介质中的传播速度υ之比。即 由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v,所以任何介质的折 射率n都大于1,光从真空射入任何介质时,sini都大于sinr,即入射角大于折射角。 光在真空中的速度跟它在空气中的速度相差很小,通常情况下可以认为光从空气射入某种 介质时,入射角的正弦与折射角的正弦之比等于那种介质的折射率。 ②例題如图1.1-5所示,光线从空气射入莱种树脂,当 图1.15 反射光线与入射光线直时,反射光线和折射光线正好成110°, 求这种树脂的折射率。 解。由反射定律可知,题中的入射角=45°,折射角 F=180°-45°-110°=25° 落%多 x树 由折射率的定义可求得这种树脂的折射率为 sin I sin 45 0.707 书!算多多 1.67 sin r sin25° 0.423 测量玻璃的折射率 当光斜射入两面平行的玻璃砖时,从玻璃砖射出 图1.16 的光线与入射光线平行,只是产生一定的侧移(同学 们可以自己明)如图1.1-所示,只要确定入射光 线和射出光线的方向,就能测出入射角沛折射角z从 而求出折射率n 在绘图板上固定一张白纸,在白纸上先画一条直 线aa作为界面,过a上的一点O画出界面的法线NN 并画一条线段A(代表入射光线的径迹,然后将玻璃砖 放在白纸上,使它的长边跟aa对齐,画出玻璃砖的另 图1.1-7 一边bb. 第一章光的折射 用激光笔发出的窄光束AO射向玻璃砖,找出窄 光束从玻璃砖射出的位置O,并画在白纸上 移去玻璃砖,过OO画直线,入射角为i=∠AON 折射角为r=∠OON(图1.1-b
用量角器测出入射角玚和折射角r则玻璃的折射率为 sIn I 改变入射角的大小,看看所测的玻璃的折射率是否大致相同 问题与练习 1.在折射现象中,下列说法中正确的是: (图 L.18 A.折射角一定比入射角小 B光从真空射入不同介质,入射角一定时折射角大,表口 示该介质的折射率大 C.介质的折射率大,光在其中的传播速度小 乙 D.入射角扩大多少倍,折射角也同样扩大多少倍。 2.图11-8是光由空气射入半圆形玻璃砖,再由半圆形玻 又又 璃砖射入空气中的光路图。O点是半圆形玻璃砖的圆心。指出 丙 哪些情况是可能发生的,哪些情况是不可能发生的。 丁 3光以的人射角从空气射入折射率为3的玻(19 中,折射角是多大?画出光路图。 4.一个三棱镜的横截面是等边三角形,其折射率为 n=√3,一束光线从空气射入,入射角为60°(图1.1.9),画 出这条光线的光路 5.光从空气射入水中,当入射角从0到90°间变化时,折 射角在什么范图内变化?