光的折射现象探究

第40篇物理学习笔记 · 全红婵的清华之路

基本概念

光的折射是指光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变的现象。这种光学现象在日常生活中随处可见，比如筷子插入水中看似"折断"，池水看起来比实际浅等。

折射定义：光从一种透明介质（如空气）斜射入另一种透明介质（如水）时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。

图1：光的折射现象示意图

就像我们的人生轨迹，当遇到不同的环境(介质)时，我们的发展方向也会自然地发生改变。这种改变不是断裂，而是适应新环境的必然结果。——时空智者的启示

在两种介质的交界处，既发生折射，同时也发生反射。光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处，区别在于反射光返回原介质中，而折射光线则进入到另一种介质中。

折射定律

荷兰数学家斯涅耳通过实验精确确定了光的折射规律，即著名的斯涅耳定律（折射定律）：

折射定律三要素

三线共面：折射光线与入射光线、法线在同一平面内

两线分居：折射光线和入射光线分居法线两侧（法线居中，与界面垂直）

正弦比值恒定：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于光在两种介质中的速度比

数学表达式为：n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂，其中n为介质的折射率，θ为光线与法线的夹角。

图2：折射定律示意图

记住一个简单的规律："谁快谁大"。即光线在哪种物质中传播的速度快，那么不管那是折射角还是入射角都是较大的角，在真空中的角度总是最大的。

生活中的折射现象

物理学最美的时刻，莫过于发现书本上的公式原来就在我们的眼皮底下悄然运作。——全红婵的学习笔记

生活中的折射现象无处不在，以下是一些常见例子：

水中物体位置"抬高"：从上面看水、玻璃等透明介质中的物体，会感到物体的位置比实际位置高一些

渔民叉鱼技巧：有经验的渔民都知道，只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到

池水变浅错觉：由于光的折射，池水看起来比实际的浅

筷子"折断"现象：当一条木棒插在水里面时，看上去像是折曲了

海市蜃楼：由大气折射造成的自然奇观

安全警示

当你站在岸边，看见清澈见底，深不过齐腰的水时，千万不要贸然下去，以免因为对水深估计不足，惊慌失措，发生危险。

折射率与光速

折射率n是描述介质光学性质的重要物理量，定义为光在真空中的速度c与光在该介质中的速度v之比：n = c/v

折射率与介质密度密切相关，一般来说，介质密度越大，折射率越大。常见物质的折射率：

空气：约1.0003

水：1.333

玻璃：1.5-1.9

钻石：2.417

记忆技巧：光从折射率小的介质(光疏介质)进入折射率大的介质(光密介质)时，折射角小于入射角，光线向法线偏折；反之则远离法线。

全反射现象

当光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于临界角，光会全部反射回光密介质中，这种现象称为全反射。

全反射条件

光必须由光密介质射向光疏介质

入射角必须大于临界角

临界角计算公式：sinC = n₂/n₁ (n₁>n₂)

全反射就像人生中的某些抉择点，当条件成熟时，我们需要完全转向，不再犹豫和折中。——时空智者的启示

全反射在现代科技中有重要应用，最典型的就是光纤通信。光纤利用全反射原理传输光信号，具有损耗低、带宽大、抗干扰等优点。

实验探究

为了更直观地理解折射现象，我们可以进行以下简单实验：

实验1：观察水中的铅笔

将一支铅笔斜插入装满水的透明玻璃杯中，从不同角度观察铅笔在水面处的"折断"现象。

实验2：硬币重现

将一个硬币放在空碗底，慢慢后退直到硬币刚刚从视线中消失。然后保持头部不动，让别人往碗中倒水，观察硬币如何"重新出现"。

实验是物理学最美的语言，它用最简单的方式讲述着最深刻的真理。——全红婵的实验笔记