光的二次折射現(xiàn)象分析

1.光的折射原理和偏折規(guī)則

光只有斜射到界面時(shí)方向才會(huì)發(fā)生偏折，垂直入射時(shí)進(jìn)入另一種介質(zhì)光線方向不變.偏折規(guī)律：從真空（空氣）進(jìn)入其他介質(zhì)光線向法線靠攏，反之遠(yuǎn)離法線.

2.分清主次

光反射時(shí)，不一定同時(shí)伴隨折射；光折射時(shí)，必定同時(shí)有反射現(xiàn)象伴隨產(chǎn)生.在研究一次折射時(shí)，我們往往既要研究折射，同時(shí)也研究反射；在研究二次折射時(shí)，我們要研究的現(xiàn)象是光進(jìn)出介質(zhì)以及在介質(zhì)中的傳播情況，因此折射是主要的，反射是次要的.所以一般研究光通過多個(gè)界面時(shí)，只研究折射，忽略反射現(xiàn)象（有特殊要求的除外）.

下面我們就以三棱鏡、玻璃磚為例嘗試解釋光的二次折射現(xiàn)象.

三棱鏡實(shí)驗(yàn)

在“光的色散”實(shí)驗(yàn)（如圖1）中，我們一方面觀察到太陽(yáng)光經(jīng)過三棱鏡會(huì)色散成七色光，另一方面也觀察到光經(jīng)過三棱鏡后不再沿原來(lái)方向傳播，而是會(huì)向三棱鏡底面偏折.這其實(shí)就是一種二次折射現(xiàn)象.為什么總是向底面偏折呢？下面我們用單色光（如圖2中亮線）進(jìn)行研究說明.

三棱鏡光路其實(shí)就是光從空氣進(jìn)入玻璃再進(jìn)入空氣的過程，根據(jù)以上所述的偏折規(guī)律可知，光斜射進(jìn)入三棱鏡后向法線靠攏，出射時(shí)又遠(yuǎn)離法線.要準(zhǔn)確理解現(xiàn)象，關(guān)鍵就在法線的正確理解認(rèn)識(shí)上.不少同學(xué)出于習(xí)慣，往往不經(jīng)思考，經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為過入射點(diǎn)畫一水平或豎直直線即為法線，這種認(rèn)識(shí)或做法是錯(cuò)誤的.法線不一定都是處于水平或豎直狀態(tài)，法線應(yīng)該是過入射點(diǎn)垂直于界面的直線，作圖時(shí)用虛線表示.如圖3可以清晰看出光入射到三棱鏡側(cè)棱上，出射光線向底面偏折.

玻璃磚實(shí)驗(yàn)

（1）界面平行玻璃磚

如圖4為平行玻璃磚實(shí)驗(yàn)照片.我們可以清晰地看到光路的傳播情況和特點(diǎn).同學(xué)們可以發(fā)現(xiàn)出射光線和入射光線不在同一直線上，發(fā)生了偏折，但相互平行，為什么呢？

根據(jù)偏折規(guī)律我們可以先粗略畫出光路圖（圖5），但結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，稍加分析光學(xué)元件特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)EF∥MN，兩法線分別垂直于界面，所以γ1=α2.在光的反射定律實(shí)驗(yàn)中，我們就知道光路是可逆的，即光從空氣到玻璃，入射角為α1，折射角為γ1；若逆向傳播，光從玻璃到空氣，若入射角為γ1，折射角則為α1.所以γ2=α1，所以入射、出射光線相互平行.

（2）半圓形玻璃磚

圖6為光從半圓形玻璃磚圓心O斜射照片.光通過半圓形玻璃磚有兩個(gè)界面，一個(gè)為平面（直線），一個(gè)為球形（半圓形）界面，我們要充分認(rèn)識(shí)到界面不一定是直線，如果界面是曲線（曲面），可以入射點(diǎn)所在曲線（曲面）的切線（切面）為界面.這樣就能很好解釋照片所述現(xiàn)象了：進(jìn)入玻璃磚的光線到達(dá)圓形界面，MN為新入射點(diǎn)P所在圓切線，新法線既為半圓半徑PO所在直線與進(jìn)入半圓形玻璃磚內(nèi)光線重合，出射光線不改變?cè)瓉?lái)OP傳播方向直接射出.

同學(xué)們一定要注意此時(shí)入射光特點(diǎn)：入射光是射到半圓形玻璃磚底面圓心上的；根據(jù)光路可逆原理可知，若光從球面入射，入射光對(duì)準(zhǔn)半圓形玻璃磚圓心，光路與圖7一樣，改變光的傳播方向（圖8）.

進(jìn)一步分析圖8，無(wú)論怎樣改變AP入射方向，只要保證AP延長(zhǎng)線過O，即對(duì)準(zhǔn)圓心，PO與AP都始終在同一直線上；增大入射角，∠POm隨之增大，根據(jù)折射定律，∠nOB也隨之增大.同樣根據(jù)折射定律，光從玻璃斜射到空氣，∠POm始終應(yīng)小于∠nOB，當(dāng)∠nOB增大到90°，不能再增加，此時(shí)折射光線將消失，所有光線在底面發(fā)生反射，這種現(xiàn)象稱之為“光的全反射”（如圖9照片）.（同學(xué)們可以思考一下要發(fā)生全反射現(xiàn)象，光必須從哪種介質(zhì)斜射向哪種介質(zhì)？）

綜上所述，二次折射現(xiàn)象其實(shí)還是普通折射現(xiàn)象的延伸，要正確理解二次折射現(xiàn)象，首先要正確理解法線概念和基本折射規(guī)律，在此基礎(chǔ)上再熟練運(yùn)用光路可逆原理和數(shù)學(xué)規(guī)律.同時(shí)在作光路圖時(shí)注意虛實(shí)，做到細(xì)心、周到.