光的折射

我們說(shuō)光是沿直線傳播的，那是指光在同一種均勻介質(zhì)中(例如在空氣中或在水中)傳播的情形，如果光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，如從空氣斜射進(jìn)入水或玻璃時(shí)，由于光在不同介質(zhì)中傳播的速度不同，光的傳播方向會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為光的折射現(xiàn)象。

一、折射現(xiàn)象

1 自然景觀中的折射現(xiàn)象

在自然界中。大氣層的各部分密度是有差別的，有時(shí)這種密度差還很大，光在這些密度不均勻的空氣中傳播會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生一些奇特美妙的自然景觀。

(1)蜃景 這是在海面上或沙漠上出現(xiàn)的虛幻景象，是一種奇特的景觀，古代的人誤認(rèn)為是蜃(大蛤蜊)吐氣而成，故叫做蜃景。

海市蜃樓夏天海面附近的溫度比高空低，由于熱脹冷縮，上層的空氣比海面附近的空氣稀疏，遠(yuǎn)處物體反射的太陽(yáng)光，在射向空氣的過(guò)程中，由于空氣疏密發(fā)生變化而折射，逐漸向地面彎曲，進(jìn)入觀察者眼中，于是就看到了地平線以外的景物(圖1)。

(2)日出 當(dāng)我們看到正從地平線上冉冉升起的一輪旭日時(shí)。太陽(yáng)的實(shí)際位置還處于地平線以下，這是光在大氣層中折射的緣故，人們看到的只是太陽(yáng)的像，因?yàn)榈厍蛑車拇髿馐遣痪鶆虻模x地面越高，空氣越稀薄。從大氣層外射到地面的光線就會(huì)發(fā)生折射而彎曲，使得光線前進(jìn)的總效果呈彎曲狀，又由于人們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)總認(rèn)為光線是沿直線傳播的，因而，人眼總是逆著光線方向去尋找發(fā)光的物體，所以人們認(rèn)為：日出時(shí)太陽(yáng)恰好處于地平線上。

2 生活中的折射現(xiàn)象

“潭清疑水淺”游泳前，你站在岸上估計(jì)水深；進(jìn)入游泳池內(nèi)，你會(huì)感到水的實(shí)際深度要比估計(jì)的深(圖2)。

光從水或玻璃射入空氣時(shí)發(fā)生折射的現(xiàn)象還有很多，例如：插入水中的筷子會(huì)變彎折(圖3)；有經(jīng)驗(yàn)的漁夫在用叉刺魚(yú)時(shí)，往往要把叉對(duì)準(zhǔn)所看到的魚(yú)的下方偏低一些的位置投叉(圖4)，這也是因?yàn)楣鈴乃行鄙淙雸?chǎng)券空氣，折射光線偏離法線，從水面上看水中的魚(yú)，看到的魚(yú)的位置比魚(yú)的實(shí)際位置靠近水面的緣故。

二、光的折射規(guī)律

人類對(duì)光的折射現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，總結(jié)出光發(fā)生折射時(shí)遵循的基本規(guī)律：

(1)光折射時(shí)，折射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi)：折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)。

(2)光從空氣斜射入水等其他介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角；光從水等其他介質(zhì)斜射入空氣時(shí)，折射角大于入射角。

對(duì)上述規(guī)律有幾點(diǎn)注意：

(1)入射角是入射光線與法線的夾角，不是和界面的夾角，同樣，折射角是折射光線與法線的夾角，也不是和界面的夾角。

(2)光線射向兩種介質(zhì)分界面時(shí)，將同時(shí)發(fā)生光的反射和折射，反射光線遵循光的反射規(guī)律，折射光線遵循光的折射規(guī)律，

(3)光垂直射向兩種介質(zhì)界面時(shí)，通過(guò)分界面后光的傳播方向不變，這時(shí)光線的入射角、反射角、折射角均為零度。

(4)光從空氣射入介質(zhì)時(shí)，如果增大或縮小入射角，折射角就隨著增大或減小，光從介質(zhì)射入空氣時(shí)，如果增大或減小入射角，折射角也隨著增大或減??；但如果增大到某一角度時(shí)，入射光線會(huì)發(fā)生全部反射現(xiàn)象，這時(shí)沒(méi)有折射光線。

(5)折射現(xiàn)象的光路是可逆的。

三、光的折射作圖

方法：抓住光的折射規(guī)律：光從空氣中斜射入水等其他介質(zhì)時(shí)，折射光線與入射光線分居在法線的兩側(cè)。折射角小于入射角(圖6)；光從水等其他介質(zhì)中斜射入空氣時(shí)，折射光線與入射光線分居在法線的兩側(cè)，折射角大于入射角(圖7)；當(dāng)光垂直入射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，折射光線不改變方向(圖8)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合幾何知識(shí)就可以正確地作出相應(yīng)的折射光線。

四、典型例題

例1 如圖9所示。MN是空氣和玻璃的分界面，一束光線射到MN面D處時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，則入射角、折射角各是多少?MN的右方是什么物質(zhì)?

解析 過(guò)O點(diǎn)作MN的垂線EF即法線，根據(jù)光的反射規(guī)律可知：AO、OB和OC分別是入射光線、反射光線和折射光線，則入射角∠AOE=60°，折射角∠COF=30°，因?yàn)檎凵浣切∮谌肷浣?，所以光是從空氣斜射入玻璃，故MN的右側(cè)是空氣。

例2在一個(gè)干枯的井底正中央P點(diǎn)趴著一只青蛙，它能看到的視野范圍如圖lOa所示，天降大雨時(shí)井中全部灌滿水，若青蛙仍在P點(diǎn)，它的視野將發(fā)生變化，請(qǐng)?jiān)趫DlOb中利用光路圖確定青蛙視野變化后的大致范圍。

解析 井里沒(méi)有水時(shí)光沿直線傳播，視野范圍如圖a所示；當(dāng)井里灌滿水時(shí)。光在水面發(fā)生折射后再進(jìn)入青蛙的眼睛，視野范圍如圖c所示。