光的折射
光在空气中沿直线传播，但当它从一种介质进入另一种介质时，传播方向往往会发生改变。把一根筷子插入装水的碗中，从侧面观察，会看到筷子在水面处出现了“折断”的效果。这种光在两种介质界面处改变传播方向的现象，就是光的折射。折射现象在自然界中随处可见，也是透镜、眼镜、望远镜等光学仪器的工作基础。
认识折射现象
光从一种介质射入另一种介质时，在两种介质的交界面处，光的传播方向发生改变，这种现象称为折射。为了准确描述折射现象，物理学引入了以下几个基本概念：
折射现象与反射现象可以同时发生。光射到玻璃表面时，一部分光被反射回空气，另一部分光透过界面进入玻璃并发生偏折，两种现象同时存在。折射光线在同一种介质内仍然沿直线传播，只是在穿越界面时方向发生了改变。
例1 在透明的玻璃水槽中，用激光笔以一定角度从侧面射入，可以同时看到两条光线：一条在水面上方向外反射出去，另一条进入水中后偏向法线方向传播，比原来的入射方向更接近竖直。这个实验清楚地说明，折射时光线在界面处改变了方向，而两侧的介质中光线都是直线传播的。
折射光线偏向法线还是偏离法线，取决于光是从哪种介质射入哪种介质。这是折射问题的核心，下一节将详细讨论。
光的折射定律
通过大量实验，科学家总结出了折射的规律：
折射时，入射光线、法线和折射光线三者在同一平面内，且入射光线与折射光线分别位于法线的两侧。
光从空气射入水或玻璃时，折射角小于入射角，光线向法线方向靠拢。
光从水或玻璃射入空气时，折射角大于入射角，光线偏离法线方向。
当入射角为 （光线垂直于界面入射）时，折射角也为 ，光线不偏折，沿原方向直行进入第二种介质。
折射具有可逆性：将折射光线反向，它就会沿原来入射光线的方向射出。也就是说，光的传播路径是可以反向追踪的，这一性质在分析光学问题时非常有用。
在更深入的学习中，折射定律的完整形式用折射率 来描述：
其中 为入射角， 为折射角， 为第二种介质相对于第一种介质（通常是空气）的折射率。折射率 越大，光进入该介质后偏折越明显。
金刚石的折射率极高，光在其内部经过多次折射和全反射，从各个方向射出，形成绚丽夺目的光彩，这正是切割后的钻石特别闪耀的原因。
例2 一束光从空气以 的入射角射入水中，折射角大约是多少？
光从空气进入水，折射角小于入射角。入射角 ，折射角约为 ，比入射角小。这说明光进入水后偏向了法线方向，传播方向更接近竖直。
例3 光垂直射入玻璃砖（入射角为 ），出射后方向如何变化？
垂直入射时，入射角为 ，折射角也为 ，光线不发生偏折，沿原来的方向直接穿过玻璃砖射出。透过平板玻璃看东西基本不变形，正是因为大多数光线近似垂直穿过玻璃，方向几乎不变。
折射角与入射角的关系
光从空气射入同一种介质时，入射角越大，折射角也越大，两者的变化方向是一致的。但折射角的增大幅度没有入射角快，折射角始终小于入射角。
以光从空气射入水为例，下方信息列出了不同入射角对应的折射角：
从上面可以看出，折射角与入射角并非简单的倍数关系，两者之差随着入射角增大而逐渐增大。
无论入射角如何变化，光从空气进入水或玻璃时，折射角始终小于入射角；光从水或玻璃进入空气时，折射角始终大于入射角。牢记这两个方向，是判断折射问题的基本出发点。
例4 用鱼叉叉鱼时，有经验的渔民会在看到鱼的位置稍微偏下方刺出鱼叉，而不是直接对着看到的鱼的方向刺。这是为什么？
水中的鱼反射的光从水射入空气时，在水面处折射角大于入射角，光线偏离法线向上偏折。人眼顺着折射光线的方向反向追踪，感觉光是从水面以上某个位置直线射来的，所以看到的鱼比实际位置更浅（偏上）。若直接对着“看到的鱼”的位置叉去，实际叉的是鱼上方的水，因此要向下偏一些才能叉中真实位置的鱼。
光从水或玻璃射向空气
当光从光密介质（如水或玻璃）射向光疏介质（如空气）时，折射角大于入射角，且随着入射角的增大，折射角增大的速度更快。
以光从玻璃射向空气为例，下表列出了一组实验数据：
当入射角增大到某个特定值时，折射角恰好等于 ，折射光线沿界面传播，不再进入另一侧介质。这个特殊的入射角称为临界角，用 表示。
例5 潜水员在水下用手电筒向水面照射，当手电筒与水面的夹角很小（即光在水中的入射角很大，接近 ）时，光线能否透出水面？
当光在水中的入射角超过临界角（约 ）时，光无法透出水面，全部被反射回水中。此时从水下看水面，超过临界角的区域呈银白色，就像一面镜子，这正是全反射现象的体现。
全反射与光纤通信
当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角时，折射光线完全消失，所有光线全部回到原来的介质，这种现象称为全反射。
全反射的发生必须同时满足两个条件：
不同介质的临界角不同，折射率越大，临界角越小：
光纤通信正是利用全反射原理，让光信号在极细的玻璃纤维内部不断全反射向前传播，传输距离可达数千千米，信号几乎不衰减。全反射使光被“锁”在纤芯内部，不会泄漏到外部，这是现代互联网基础设施的核心技术之一。
光纤由两层结构组成：内层是折射率较大的纤芯，外层是折射率较小的包层。光线从光源射入纤芯，以大于临界角的角度射向纤芯与包层的界面时，发生全反射，光被完全反射回纤芯，沿着光纤不断向前传播。即使光纤弯曲，光线也能继续在内部传播而不泄漏。
全反射在生活和技术中还有许多其他应用：
例6 一根光纤的纤芯对空气的临界角约为 。现有三束光在纤芯内部分别以 、、 的入射角射向纤芯与包层的界面，判断各束光的情况。
只有入射角大于临界角的光线才能被全反射“锁”在光纤内，这正是光纤入射端需要控制光线角度的原因。
全反射只能在光从光密介质射向光疏介质时发生。光从空气射向玻璃，无论入射角多大，都不会发生全反射，只会发生普通的折射（部分透过）和反射（部分返回）。
练习题
选择题
第1题（考查光的折射基本规律）
一束光从空气斜射入水中，入射角为 ，则折射角：
A. 等于 B. 大于 C. 小于 D. 等于
第2题（考查全反射的发生条件）
下列关于全反射的说法，正确的是：
A. 只要入射角足够大，任何情况下都会发生全反射
B. 光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，才会发生全反射
C. 光从空气射向玻璃，入射角超过临界角时会发生全反射
D. 全反射发生时，折射光线消失，但仍有少量光透出界面
第3题（考查折射现象的生活应用）
站在水边看水底的石块，感觉石块的位置比实际位置：
A. 更深 B. 更浅 C. 深浅一样 D. 无法判断
第4题（考查光纤通信的原理）
光纤通信能将光信号传输数千千米，信号损耗极小，其利用的核心物理原理是：
A. 光的漫反射 B. 光的折射 C. 光的全反射 D. 光的直线传播
计算题
第5题（考查折射可逆性与折射角判断）
一束光从空气射入某玻璃砖，入射角为 ，测得折射角为 。
（1）现将光路反向，让光从玻璃内部以 的入射角射向玻璃与空气的界面，此时折射角是多少度？
（2）若保持光在空气中入射，将入射角从 减小到 ，折射角是变大还是变小？与 相比，新的折射角是大是小？
第6题（考查全反射条件的综合判断）
一块玻璃砖，光从玻璃射向空气的临界角约为 。现有三束光在玻璃内部分别以 、、 的入射角射向玻璃与空气的界面。
（1）分别判断三束光各自的情况（发生折射透出，还是发生全反射）。
（2）对于能透出玻璃的那束光（入射角 ），它在空气中的折射角与 相比，哪个更大？说明理由。