光的折射(光學現象)

光的折射是指光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向發生改變，從而使光線在不同介質的交界處發生偏折的現象。屬於光的折射現象。

光的折射與光的反射一樣都是發生在兩種介質的交界處，只是反射光返回原介質中，而折射光線則進入到另一種介質中。在折射現象中，光路是可逆的。

一般來講，在兩種介質的分界處，不僅會發生折射，也發生反射。例如在水中，部分光線會反射回去，部分光線會進入水中。反射光線光速與入射光線相同 ，折射光線光速與入射光線不相同。

基本介紹

• 中文名：光的折射
• 外文名：refraction of light
• 解釋：光線在不同介質的交界處發生偏折
• 性質：光學現象

折射規律

1、折射光線和入射光線分居法線兩側（法線居中，與界面垂直）

2、折射光線、入射光線、法線在同一平面內。（三線兩點一面）

3、折射角的正弦與入射角的正弦之比為常數（折射定律）。

入射角 反射角 折射角的表示

當光線從空氣斜射入其它介質時，折射角小於入射角。

4、當光線從其他介質斜射入空氣時，折射角大於入射角。（以上兩條總結為：誰快誰大。即為光線在哪種物質中傳播的速度快，那么不管那是折射角還是入射角都是較大的角，在真空中的角度總是最大的）

5、在相同的條件下，折射角隨入射角的增大（減小）而增大（減小）

6、折射光線與法線的夾角，叫折射角。

7、光從空氣斜射入水中或其他介質時（真空除外，因為在真空中光不能發生偏折），折射光線向法線方向偏折，折射角小於入射角。

8、光從空氣垂直射入水中或其他介質時，傳播方向不變。

相關規律：

1、光垂直射向介質表面時（折射光線、法線和入射光線在同一直線上），傳播方向不變，但光的傳播速度改變。

2、在光的折射現象中，光路是可逆的。

3、不同介質對光的折射程度是不同的。氣體液體（固體折射角度）{介質密度大的角度小於介質密度小的角度}

4、光從一種透明均勻物質斜射到另一種透明物質中時，折射的程度與後者分析的折射率有關。

5、光從空氣斜射入水中或其他介質時，折射光線向法線方向偏折。

6、入射角的正弦值與折射角的正弦值的比等於光在兩種介質中的速度比、波長比。

即sin i/sinr =v/v'=n=λ╱λ'(n為折射率，λ為波長)

光從介質1射入介質2發生折射時，入射角與折射角的正弦之比叫做介質2相對介質1的折射率，即“相對摺射率”。

折射原因

光是一種波，光波折射的原因可以用著名的唯象理論惠更斯原理解釋。傳播介質的改變是導致波發生折射的重要原因（見“光波折射的機理”）。

圖1 光的折射原理

如圖1，一列平行光波由介質1射向介質2，a，b是這列光波的兩條波線（光線），由於未經過介質2前，a，b兩波線波速、頻率等完全一樣，由於與臨界面成一定角度，所以當波線a到達臨界面上的A點時，波線b剛剛傳到B點（圖1中虛線AB⊥波線b）。當然波線a傳到臨界面後不會停止傳播，它會在A點形成一個子波源，分別向介質1和介質2以圓周式向四周發射波，其波速不變，依然和之前的波線a與波線b的波速等相等，只是以圓周形式向四周發射波。假設光波在介質1中的傳播速度大於在介質2中的傳播速度。若波線b由B點傳播到臨界面上的B'點所用時間為t，則在t時間內，由於同位於介質1，波速不變，子波源A向介質1中傳播的波前與A的距離（即在介質1中的半圓A的半徑）就是波線b由B點傳到B'的距離（即BB'的長度），形成波的反射。而子波源A向介質2中傳播的波前與A的距離（即在介質2中的半圓A的半徑）卻小於BB'，因為波在介質2中的傳播速度小於在介質1中的傳播速度，相同時間t 內，速度vv'，所以路程SS'，形成波的折射。波線b到達臨界面上的B'後，也將會以子波源的形式向四周發射波，所以B'傳播的波前可以看作就是B'這個點。根據惠更斯原理，連線B'的波前（即點B'）與A在介質1和介質2中傳播的波前（即過B'分別作兩個半圓的切線B'M和B'N，切點分別為M，N，圖1中所示綠色直線）則切線B'M和B'N就是波前的包絡面（即折射和反射後所形成的新的波前），所形成兩條的新的波線總是垂直於包絡面，即AM⊥B'M，AN⊥B'N。則射線AN就是光線a的折射光線，射線AM就是光線a的反射光線。

證明：入射角∠4折射角∠3，即證明AN就是折射光線

解：利用平面幾何證明即可。在光的反射中已經證明∠BAB'=∠MB'A（由於AM=BB'，所以Rt△BAB'=Rt△MB'A，HL），且∠4=∠BAB'。根據大邊對大角，AMAN'，且AB'=AB'，所以∠AB'N<∠MB'A，所以∠4=∠MB'A>∠3=∠AB'N。即入射角∠4折射角∠3，AN就是折射光線，AM就是反射光線AM。

證明：入射角的正弦值與折射角的正弦值的比等於光在兩種介質中的速度比：sin∠4/sin∠3=v/v'

入射角∠4=∠MB'A，∠3=∠AB'N。所以sin∠MB'A=AM/AB'，sin∠AB'N=AN/AB'，所以sin∠MB'A：sin∠AB'N=sin∠4/sin∠3=AM/AN=vt/（v't）=v/v'

即sin∠4/sin∠3=v/v'

因為同一種波進入不同介質，頻率f不變，故根據v=λf，有v/v'=λf/（λ'f）=λ/λ'

光折射的新理論

光和物質間的相互作用力使光的運動方向發生改變即折射。近代物理學指出，平時所說的光是一種沒有靜質量、體積非常小、運動速度比較高的物質。光和其它物質有相同的性質。

特殊情況

光在巨觀領域的折射

在宇宙中，光經過天體附近區域時，光和天體間的相互引力作用使光運動路線向天體方向較顯著彎曲（折射）。

光在微觀領域的折射

圖2

如圖2左圖所示：該圖是光折射實況縮小了約10倍圖，

光在介質內外各有一秒鐘的行程，綠色長方體示絕對摺射率n=1.5的透明介質，黑線L示法線，紅線示光由A點以90度入射角射至點O，經O點折射至B，藍線示光的余速度V余，黃線Vs示光在介質中平行於界面的速度，Vh示光垂直於界面的速度。光在O點附近和介質間有兩種較明顯的相互作用力效應。

2.1．其中一種相互作用力是“動斥力”作用：無論光以何種角度射入介質都會和介質發生同樣大小的“動斥力”相互作用（都須要做同樣大小的入射功）,光射入介質後速度都要降低。由圖2左圖看出光進入介質後平行於界面的速度僅剩下V余=c/n。光進入介質與磁體進入閉合的電磁線圈的過程相似，它們都要和對方發生“動斥力”相互作用，都要做入射功，都要降低入射速度。

2.2．光在O點和介質的另一種相互作用力是光和界面間的相互引力：如圖2右圖所示：該圖是約放大10倍的示意圖，OC線距離界面設為h=10m。光原來沒有垂直於界面的運動速度，光在介質中垂直於界面的速度Vh是由它們間的相互引力作用產生的。

全反射

光由光密（即光在此介質中的折射率大的）媒質射到光疏（即光在此介質中折射率小的）媒質的界面時，全部被反射回原媒質內的現象。光由光密媒質進入光疏媒質時，要離開法線折射，如圖3所示。當入射角θ增加到某種情形（圖3中的e射線）時，折射線延表面進行，即折射角為90°，該入射角C稱為臨界角。若入射角大於臨界角，則無折射，全部光線均反回光密媒質（如圖3中f、g射線），此現象稱為全反射。

這就是光纖通信的原理。只有在光線從光密介質射入光疏介質時才會產生。

圖3

光從介質射入空氣（真空）時，發生全反射的臨界角C與介質的折射率n的定量關係是： sinC=1/n 從這個關係式可以看出，介質的折射率越大，發生全反射的臨界角越小。水的臨界角為48.8°，各種玻璃的臨界角為32°～42°，金剛石的臨界角為24.4°。全反射是自然界裡常見的現象。例如，水中或玻璃中的氣泡，看起來特別明亮，就是因為光從水或玻璃射向氣泡時，一部分光在界面上發生了全反射的緣故。如果從玻璃射向空氣的入射角大於臨界角，光就會發生全反射，於是光在玻璃棒內沿著鋸齒形路線傳播。這就是光導纖維導光的原理。1966年，華裔科學家高錕博士提出一個理論：直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來作為光的波導來傳輸大量信息。

折射機理

光波是一種特定頻段的電磁波。光在傳播過程中有兩個垂直於傳播方向的分量：電場分量和磁場分量。當電場分量與介質中的原子發生相互作用，引起電子極化，即造成電子云和原子荷重心發生相對位移。其結果是一部分能量被吸收，同時光在介質中的速度被減慢，方向發生變化，導致折射的發生。

反射和折射不能用粒子性解釋，套用經典粒子理論得到的折射速度不同。在經典波動光學之中能有較好的解釋。在利用近代理論解釋光的折射和反射過程中，也不能理解為粒子碰撞。實際上可以理解為部分光子透射、部分光子反射。但是如果想問是哪個光子反射、哪個光子折射，實際上是辦不到的。因為光子只代表電磁場能量分布，其出現多少代表了電磁場的能量大小。在光入射到物質表面時，部分電磁場能量透射，形成折射光，部分電磁場能量反射，因此在折射和反射方向都能探測到光子。