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光现象系列讲座 谈谈光的折射与全反射 i空气水r法线界面 i 空气 水 r 法线 界面 O为了研究折射现象，我们通常要过入射点O作一条与界面垂直的参考线，即法线，将入射光线与它的夹角i称为入射角；将折射光线与它的夹角r称为折射角。 O 通过实验我们发现：在光的折射现象里，折射光线与入射光线总是分居法线两侧，而且当入射角i增加时，折射角r也增加；反之，当入射角i减小时，折射角r也减小。这是折射现象的基本规律。 研究表明：不同的介质对光的折射程度存在差异，如图，若以相同的角度将光从空气射向水和玻璃，那么玻璃中的折射角要更小些，也就是说，它的折射光线较原来入射光的方向偏离的更多。可见在相同条件下，玻璃对光的折射能力要强于水，为此物理学中引入一个新的物理量——折射率，来反映不同介质对光折射能力的差异。折射率越大的介质，对光的折射能力越强；反之，折射率越小的介质，对光的折射能力越弱。 不同的介质，对光的折射率一般不同，下表列出的是一些常见介质对光的折射率： 介质 真空 空气 水 玻璃 金刚石 折射率 1 1.00028 1.33 1.5~1.9 2.42 为了进一步明确介质的这一差异，我们习惯上将折射率相对大的介质称为光密介质，将折射率相对小的介质称为光疏介质。那么，光在光密介质与光疏介质之间传播时，又有什么规律呢？ 从表中我们知道，空气的折射率小于水的折射率，根据定义，相对而言水是光密介质，空气为光疏介质。所以我们不妨先看一下光在空气和水中传播时的情况。图所示的是光从空气折射进入水中的情形，要是光改从水射向空气有会怎样呢？实验表明：若是入射光沿原先折射光的方向从水射向空气，那么折射光就在原先入射光的方向上，这一现象在物理学上称为光的可逆性。 根据光在折射现象中的可逆性，我们发现，无论光从空气到水，还是从水到空气，光在空气中的角总是大于光在水中的角。即在光的折射现象里，光在光疏介质中的角总大于光在光密介质中的角（当然，这里“角”指的折射角或入射角）。这一规律虽然是我们从光在空气和水之间传播时总结出来的，但它同样适用于光在其他介质之间的传播，它也是光的折射现象的一条重要规律。 借助这一条规律，就可以定性地判定光在不同介质之间传播时方向是如何改变的了。例如：当光从光疏介质射入光密介质时，折射光应靠近法线；当光从光密介质射入光疏介质时，折射光应远离法线。因为只有这样才能满足光疏介质中的角总大于光在光密介质中的角。 不仅光在不同介质之间传播时会发生折射现象，光在同一种不均匀介质中传播时，也会发生光的折射现象。例如：光在密度不同或冷热不均的空气里传播时常常会因为折射而改变传播方向。 大气折射就是由于光在密度不同的空气中传播时的折射造成的，下面我们一起用前面介绍的知识来分析一下其中的道理。 当光从真空进入空气时也会发生光的折射现象，虽然这种折射的程度非常小，但有时我们仍然不得不考虑它的影响。 图中画的是来自一个遥远天体的光穿过地球大气层被折射的情景。由于覆盖在地球上的大气是不均匀的，每一层的密度都不相同，因而折射率也不同。这样光在透过大气层时，就好像不断地从一种物质进入另一种物质，这样它的方向就被不断地改变。由于越接近地表，空气密度越大，其折射率也越大，因此根据上述结论，这就相当光在不断地从光疏介质进入光密介质，因而光线将不断地向法线偏折。结果，我们看到的星星的位置总比它的实际位置来得高一些。这种效应越是接近地平线越明显。我们看到的地平线上星星的位置要比它的实际位置高37’。在天文观测中，这种效应是必须考虑的。 太阳光和星光一样，在大气中也要发生折射，有趣的是太阳直径对人眼睛的张角约为32’，比37’ 略小一些，因此，当我们看到太阳从地平面上刚刚升起的时（如图），真实的太阳恰恰是在地平面之下，由于空气的折射，我们才看到它完全处于地平线的上方。 在研究光的折射现象时，我们发现光并不总可以从一种透明介质进入另一种透明介质。请看下图。 从图1、图2和图3中，我们发现当入射光的角度不断增大时，折射光就不断偏向并接近截面，而且强度也会不断减弱，当入射光增大到某一角度时（图3），折射光会彻底消失，只剩下反射光，这种现象在物理学中称为光的全反射。所对应的角就光在这种介质中的全反射的临界角。实验表明：不同介质的临 图1 图2 图3 界角一般不同，例如：从介质射向空气时，水的临界角是48.5o，玻璃的临界角是42o，金刚石的是24.5o。 那么什么情况下会发生光的全反射呢？研究表明：当光从光密介质射入光疏介质时，且入射角大于临界角时，将发生光的全反射现象。这两个条件缺一不可，我们从上图演示的现象中也可看到这一点。 我们看到水中或