第 6 章 光的折射、色散与光现象辨析
把一根筷子斜插进水杯，从侧面看，筷子像在水面处“折断”了；把硬币放在空碗底，后退到刚好看不见硬币的位置，保持头不动，再让同学慢慢往碗里加水，硬币竟然重新出现。筷子没有断，硬币也没有上浮，改变的只是光到达眼睛前走过的路。
上一章里，光在同一种均匀介质中沿直线传播，遇到镜面还会反射。现在，光要从水中进入空气，或者从空气进入玻璃，它在两种透明介质的交界处还会继续保持原方向吗？这正是本章要解决的第一个困惑。
一、跨过界面时，光为什么“拐弯”
1. 从现象到光的折射
让一束光斜着从空气射入水中，你会看到：一部分光在水面发生反射，另一部分光进入水中，但进入水中的光改变了传播方向。光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向通常在交界处发生改变，这种现象叫作光的折射。
这里有三个词不能随手省掉。第一，光要从一种介质进入另一种介质；第二，两种介质能让光通过；第三，“斜射”时方向通常会改变。若光沿着垂直界面的方向入射，它仍发生了介质转换，却不会偏折。
先把这个变化放回两个熟悉的场景。观察下面的对照图时，只追问一件事：从水下物体到眼睛的光，是否跨过了水和空气的界面？
筷子并没有真的折断，池底的实际位置也没有改变；变化的是水下物体发出的光进入空气后的传播方向。把“物体发生变化”和“到达眼睛的光路发生变化”分开，后面解释视深就不会绕晕。
你可能会问：“既然有光进入水中，反射是不是就消失了？”并没有。水面、玻璃表面往往会同时让一部分光反射、一部分光折射。看商店橱窗时，既能看到玻璃后的商品，也能看到自己淡淡的影子，就是两种现象同时发生。
2. 光路图里的五个角色
要把“拐弯”说清楚，先给图中的线和角找准名字：
- 光到达界面前的光线叫入射光线，进入另一种介质后的光线叫折射光线。
- 入射光线与界面的交点叫入射点。
- 过入射点且垂直于界面的虚线叫法线。
- 入射光线与法线的夹角叫入射角，折射光线与法线的夹角叫折射角。
注意，角度永远是光线与法线的夹角，不是与水面或玻璃面的夹角。题目若给“光线与水面成 ”，入射角应是 。中考作图和读图中，量错参照线是很常见的失分原因。
二、折射光线到底向哪边偏
1. 先用实验寻找稳定规律
可以让一束窄光沿纸板斜射到装水的透明槽中，改变入射方向，比较空气和水中的光线。反复观察后会发现：
- 折射光线、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两侧。
- 光从空气斜射入水或玻璃时，折射光线向法线偏折，折射角小于入射角。
- 在能观察到折射光的范围内，光从水或玻璃斜射入空气时，折射光线偏离法线，折射角大于入射角。
- 在本章实验范围内，入射角增大时，折射角也增大；垂直入射时，传播方向不变。
这组规律在初中阶段只作定性比较。我们关心“向法线靠近还是远离”“哪个角更大”，不计算折射角的精确数值，也不引入折射率公式。
把规律压缩成一句顺口但严谨的话：空气中的光线与法线夹角较大，水或玻璃中的光线与法线夹角较小。无论光从哪边射来，这句话都能帮助你自检。
现在先想一想：在能观察到折射光的情况下，一束光从水中斜射向空气，折射光线应该更靠近水面，还是更靠近法线？
下面的实验台可以改变入射方向和角度。先预测，再拖动滑块观察，重点盯住法线两侧的角如何变化，不需要记任何比例数值。
2. 一条光路可以倒着走
若光沿某条路径从空气射入水中，再让光从水中沿原折射光线的反方向射回，它会沿原入射光线的反方向回到空气中。这叫作光路可逆。
它很实用。已知“空气射入水”的图，就不用重新背一套“水射入空气”的图；把箭头反过来，原来的入射角与折射角交换身份，但空气中的角仍较大。可逆不等于两边角度相等，也不等于光线不偏折。
3. 折射光路怎样规范作图
遇到作图题，可以按这个顺序走：
先确定入射点，画出两种介质的分界面；若题目已经给出界面，不要随意移动入射点。
过入射点作法线，并标出法线与界面垂直。法线是辅助线，通常画成虚线。
判断光的传播方向，分清光从空气进入水或玻璃，还是反过来；光线上的箭头必须指向实际传播方向。
根据“空气中的角较大”画折射光线，再检查入射光线与折射光线是否分居法线两侧。
作图时不要把法线当成界面，也不要拿光线与界面的夹角直接比较。最后用三项检查收尾：法线垂直界面、箭头方向正确、空气中的角较大。
三、为什么水看起来变浅了
1. 眼睛如何判断物体位置
我们通常根据进入眼睛的光线，沿直线反向寻找物体。水下硬币反射的光从水斜射入空气时，会远离法线。进入眼睛后，大脑仍习惯把这段光路看成直线，于是沿空气中光线反向延长，把硬币判断在真实位置的上方。这个位置只是光线反向延长线形成的虚像位置，那里并没有真正的硬币。
所以，从岸上看水中的鱼，鱼的像通常比鱼的真实位置浅。若要用鱼叉瞄准，应对准看见的鱼的下方，而不是直接刺向像的位置。游泳池看起来比实际浅也是同一原因。生活中“看浅”是光从水进入空气后折射与眼睛反向延长共同造成的，不能只说“因为有水”。
反过来，水中的人看岸上的物体，看到的也是折射形成的像。判断这类问题最稳妥的方法不是死背“升高”或“降低”，而是从物体发出的光一路画到眼睛，再把进入眼睛的光线反向延长。
2. 筷子为什么像折断
筷子露出水面的部分发出的光，几乎直接进入眼睛；水下部分发出的光先从水进入空气，折射后才到达眼睛。眼睛把水下部分看在了偏浅的位置，而水上部分位置基本不变，两部分的像在水面处对不上，于是筷子看起来弯折了。
现在换个问法：把筷子竖直插进水里，并从正上方沿近似竖直方向看，它还会像斜看时那样明显“折断”吗？不会那么明显，因为到达眼睛的主要光线接近垂直水面，偏折很小。可见，现象不仅与“有没有水”有关，还与观察方向有关。
这类解释题在中考中常要求一条完整证据链：水下物体发出的光从水斜射入空气发生折射，折射光线远离法线；眼睛沿折射光线反向延长，在较浅处看到虚像。只写“光的折射”往往没有解释清楚像为什么在那个位置。
四、白光里藏着哪些颜色
1. 三棱镜把白光“拆开”
一束太阳光看起来是白色的，可让它通过三棱镜，屏上会出现按顺序排列的彩色光带，大致为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。白光分解成多种色光的现象叫作光的色散。
三棱镜不是给白光“染色”。不同色光通过三棱镜时偏折程度不同，原本混在一起的色光在出射后分开，眼睛才看见彩色光带。因此，色散说明白光是由多种色光混合而成的复色光。
雨后彩虹也不是云朵涂上去的颜色。阳光进入小水滴后发生折射和色散，并在水滴内经历反射，再折射出来，不同色光沿不同方向进入眼睛，便形成彩色光弧。观察者、太阳和水滴的位置关系改变，彩虹是否可见也会改变。
把三棱镜和雨滴并排看，能发现它们的共同线索：白光中的不同色光偏折程度不同，原本重合的光路被分开；彩虹的光路还多了水滴内部的反射。
下面的实验台允许你先选入射光再调整三棱镜。试着预测：如果换成单一的红光，屏上还会不会出现完整的七色光带？操作后再用反馈核对“色散”和“染色”的区别。
2. 色光混合与物体颜色
红、绿、蓝三种色光按不同强弱混合，可以得到许多颜色，它们称为色光的三原色。三种色光适当混合可呈现白色。注意，这是色光相加的规律，不要把颜料混合的经验硬套过来：颜料越混越暗，色光却可能越叠越亮。
透明物体的颜色主要由它允许透过的色光决定；不透明物体的颜色主要由它反射的色光决定。白色物体能反射多种色光，黑色物体吸收大部分照到它上面的色光。
先看一组静态对照：同一个物体换了照明光，进入眼睛的色光可能完全不同。尤其注意“较暗”不是一种新的颜色，而是几乎没有合适的色光被反射进眼睛。
再到实验台里分别调节红、绿、蓝三束光，并切换物体和照明光。每次先在心里预测，再揭晓结果；这样能把“光与光相加”和“物体选择性反射”这两层关系拆开。
想一想：舞台只打开纯红色灯光，一张只反射蓝光的蓝纸会显得鲜艳明亮吗？
五、光谱两端还有“看不见的光”
1. 红外线：看不见，但能留下热的线索
在光谱红光之外存在人眼看不见的红外线。红外线具有明显的热效应，温度不同的物体向外辐射红外线的情况不同，因此热像仪可以把温度分布转换成可见图像。电视遥控器也常用红外线传递指令。
“看不见”不等于“不存在”，也不等于红外线只有加热作用。我们是通过它引起的效应和仪器的检测结果认识它。用手机摄像头观察遥控器发射端时，有些设备能看到闪光，有些因滤光设计看不到，不能据此断定遥控器一定损坏。
2. 紫外线：有用，也要防护
在光谱紫光之外存在紫外线。适量紫外线照射有助于人体合成维生素 D；紫外线还能使某些物质发出荧光，可用于防伪识别；合适强度和时间的紫外线也可用于杀菌消毒。
但紫外线并非越多越好。过量照射会伤害皮肤和眼睛，进行紫外线消毒时应按设备说明隔离人员、控制时间并做好防护。普通深色眼镜也不能自动等同于合格的防紫外线眼镜，防护要看是否具备相应功能。
把两类不可见光的应用放在一起比较时，不要只背设备名称：热像和遥控利用的是红外线带来的可检测效应，防伪和规范消毒可利用紫外线的作用；涉及紫外线照射时，还必须同时看到隔离和防护条件。
红外线和紫外线都不可见。不要把红外线写成“红色的光”，也不要把紫外线写成“紫色的光”；“红外”和“紫外”说的是它们在光谱中的位置。
六、遇到光现象，先追光路再命名
“影子、倒影、筷子弯折、彩虹”摆在一起时，名称很像，原因却不同。与其背例子，不如问光在途中经历了什么：
下面的辨析器不会只让你给场景贴一个标签，而会要求你先找出题目追问的那一段光路。遇到彩虹、水中硬币这类包含多个过程的情境，先把证据链拆开再选“主要原因”。
做完后再回到表格检查：同一个场景可以先反射、再折射，分类答案取决于题目正在追问哪一段过程，而不是取决于你最先看到的名词。
注意，真实情境可能不只含一种现象。我们能看见水中硬币，是因为硬币先反射光，光再从水中折射出来；彩虹的形成也包含折射、色散和反射。题目问“使像的位置改变的主要原因”时选折射，问“硬币为什么能被看见”时还要知道硬币把光反射进了眼睛。物理辨析不是给场景贴唯一标签，而是找题目正在追问的那一段光路。
到这里，本章的几类光现象就连成了一张图：在同一种均匀介质中先考虑直线传播，遇到界面看光是返回还是进入，进入另一介质看是否折射，白光被分开再考虑色散。下一章我们会把折射光路放进有特定形状的透明物体——透镜。光线经过透镜后会怎样会聚或发散，正是照相机、放大镜和眼镜工作的起点。
课后练习
1
下列现象中，主要由光的折射形成的是（ ）
2
一束光从空气斜射入水中。若入射光线与水面夹角为 30°，下列判断正确的是（ ）
3
在能观察到折射光的条件下，关于光从水中斜射入空气的光路，下列说法正确的是（ ）
4
站在岸边看到水中的鱼后，用鱼叉捕鱼。若不考虑水流，比较合理的瞄准位置是（ ）
5
太阳光通过三棱镜形成彩色光带，说明三棱镜把白光染成了不同颜色。
6
在只用纯红光照明的房间里观察一张只反射蓝光的蓝纸，蓝纸最可能呈现为（ ）
7
下列关于红外线和紫外线的说法正确的是（ ）
8
某同学画空气斜射入玻璃的折射光路。下列检查方法中不能帮助判断作图是否正确的是（ ）