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初级物理三

  1. 01欧姆定律
  2. 02电功与电热
  3. 03家庭用电
  4. 04电磁现象
  5. 05电磁感应
  6. 06光的折射
  7. 07透镜与成像
  8. 08光学仪器
  9. 09颜色与光谱
  10. 10能量的转化
  11. 11热机与效率
  12. 12信息与能量
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课程物理初级物理三光的折射

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。

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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 0°0°0°(光线垂直于界面入射)时,折射角也为 0°0°0°,光线不偏折,沿原方向直行进入第二种介质。

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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 nnn 来描述:

n=sin⁡θ1sin⁡θ2n = \frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}n=sinθ2​sinθ1​​

其中 θ1\theta_1θ1​ 为入射角,θ2\theta_2θ2​ 为折射角,nnn 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 nnn 越大,光进入该介质后偏折越明显。

常见介质折射率(相对于空气)
空气约 1.001.001.00
水约 1.331.331.33
普通玻璃约 1.501.501.50
金刚石约 2.422.422.42

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 30°30°30° 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 30°30°30°,折射角约为 22°22°22°,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 0°0°0°),出射后方向如何变化?

垂直入射时,入射角为 0°0°0°,折射角也为 0°0°0°,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 90°90°90°,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 θC\theta_CθC​ 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 90°90°90°)时,光线能否透出水面?

当光在水中的入射角超过临界角(约 49°49°49°)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:

条件说明
条件一光必须从光密介质射向光疏介质(即从折射率大的介质射向折射率小的介质)
条件二入射角必须大于或等于该介质的临界角

不同介质的临界角不同,折射率越大,临界角越小:

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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。

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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 42°42°42°。现有三束光在纤芯内部分别以 30°30°30°、42°42°42°、55°55°55° 的入射角射向纤芯与包层的界面,判断各束光的情况。

入射角与临界角(42°42°42°)比较结果
30°30°30°小于临界角发生折射,光透出纤芯(信号泄漏)
42°42°42°等于临界角临界状态,折射光沿界面传播
55°55°55°大于临界角发生全反射,光留在纤芯内继续传播

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 45°45°45°,则折射角:

A. 等于 45°45°45°  B. 大于 45°45°45°  C. 小于 45°45°45°  D. 等于 90°90°90°

答案:C

解析:光从空气(光疏介质)射入水(光密介质),折射光线向法线方向靠拢,折射角小于入射角。入射角为 45°45°45°,折射角约为 32°32°32°,选C。

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

答案:B

解析:全反射需同时满足两个条件:光从光密介质射向光疏介质,且入射角大于或等于临界角。选项A缺少“从光密到光疏”的条件;选项C中光是从空气射向玻璃(光疏到光密),不满足条件;选项D描述错误,全反射时折射光线完全消失,无光透出。

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

答案:B

解析:水底石块反射的光从水射入空气时,折射角大于入射角,光线向上偏折(偏离法线)。人眼顺着折射光线方向反向延长,感觉光来自水面以下较浅的位置,所以看到的石块比实际位置更浅。涉水过河时切勿以看到的水深为准,实际水深比视觉更深。

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

答案:C

解析:光纤通信利用全反射原理。光在折射率较大的纤芯中,以大于临界角的角度射向纤芯与包层的界面,发生全反射,光线被完全限制在纤芯内部向前传播,能量几乎没有损耗。若只是普通反射(选项A),每次反射都会损失部分能量,无法长距离传输。


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 60°60°60°,测得折射角为 35°35°35°。

(1)现将光路反向,让光从玻璃内部以 35°35°35° 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 60°60°60° 减小到 40°40°40°,折射角是变大还是变小?与 35°35°35° 相比,新的折射角是大是小?

解:

(1)由折射的可逆性,光路可以反向。原来光从空气(入射角 60°60°60°)射入玻璃(折射角 35°35°35°),将光路完全反向后,光从玻璃以 35°35°35° 射向空气,折射角即为原来的入射角:

折射角=60°\text{折射角} = 60°折射角=60°

(2)光从空气射入玻璃时,入射角越大,折射角越大(两者变化方向一致)。入射角从 60°60°60° 减小到 40°40°40°,折射角也随之减小,新的折射角小于 35°35°35°。

40°<60°⇒新折射角<35°40° < 60° \Rightarrow \text{新折射角} < 35°40°<60°⇒新折射角<35°

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 42°42°42°。现有三束光在玻璃内部分别以 25°25°25°、42°42°42°、60°60°60° 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 25°25°25°),它在空气中的折射角与 25°25°25° 相比,哪个更大?说明理由。

解:

(1)临界角为 42°42°42°,将各入射角与临界角比较:

入射角与临界角(42°42°42°)比较结果
25°25°25°小于临界角发生折射,光透出玻璃进入空气
42°42°42°等于临界角临界状态,折射光沿界面方向传播(折射角 =90°= 90°=90°)
60°60°60°大于临界角发生全反射,光全部反射回玻璃内部

(2)入射角为 25°25°25°,光从玻璃(光密介质)射向空气(光疏介质),折射光线偏离法线,折射角大于入射角。

折射角>25°\text{折射角} > 25°折射角>25°

理由:光从光密介质射向光疏介质时,折射角始终大于入射角,光线偏离法线方向。此时折射角约为 39°39°39°,大于 25°25°25°。

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