折射中的光路可逆

當光線逆著原來的反射光線（或折射光線）的方向射到媒質界面時，必會逆著原來的入射方向反射（或折射）出去，光線的這種性質叫做光路可逆.

關于光路可逆，教材中僅指出：“光在反射時，光路是可逆的”“光在折射時，光路也是可逆的”，并沒有進行深入分析及應用，以至于同學們對光路可逆不重視，認為這個知識點無關緊要，可實際上我們在解決有關光的習題中，如果能夠想到利用光路可逆這一重要原理，那不僅能夠有助于對某些光學知識的記憶（例如，可由“平行于主光軸的光線經凸透鏡折射后會聚于焦點”得出“自凸透鏡焦點發(fā)出的光線會平行于主光軸射出”；可由光從空氣射入其他透明介質的折射規(guī)律得出光從其他透明介質射入空氣中的折射規(guī)律等），還可以讓同學們對許多光學現象的理解與運用變得非常簡單，下面我們就以光的折射為例探討一下光路可逆的應用.

例1 圖1為光從空氣斜射入水中的折射光路，則光從水中斜射入空氣中時，折射角 （大于/等于/小于）入射角.

解析 我們只對光從空氣射入其他透明介質的情況做過研究，但如果遇到光從介質射入空氣的問題，根據光路可逆，就也能得出結論.本題根據光路可逆，當光沿BO入射時，折射光線必為OA，故折射角大于入射角.

例2 如圖2a所示，一束光射向一塊玻璃磚，畫出這束光進入玻璃和離開玻璃后的軌跡.

解析 本題根據光的折射規(guī)律作出解答，有的同學可能作出圖b的錯誤解答，認為最終的折射角大于入射角就對了，通過實驗，我們知道其實正確的光路圖如圖c所示.那么為什么BC∥AO呢？我們可以利用光路可逆去解釋，入射光線AO通過玻璃磚在玻璃磚的上、下兩個表面都會發(fā)生折射.由于玻璃磚的上下表面是平行的，因此∠M′OB=∠NBO，即光由空氣斜射入玻璃磚時的折射角（∠M′OB）等于光由玻璃磚斜射入空氣時的入射角（∠NBO）.根據光路可逆可知，此時光由玻璃磚斜射入空氣的折射角（∠N′BC）應等于光由空氣斜射入玻璃磚時的入射角（∠AOM），即最終的折射光線BC應平行于原入射光線AO.

例3 站在岸上的人看到平靜的水面下有一靜止的物體，如圖3所示，如果他想用一束強光照亮物體，則應該瞄準（ ）.

A.看到的物體的上方

B.看到的物體的下方

C.看到的物體

D.看到的物體的前方

解析 這是一道極易解錯的題目，學生易與“叉魚”時偏下方才能叉到魚混淆.其實，在明確“看到的物體”實際是真實物體虛像的基礎上，運用光路可逆來分析，若激光沿原來的折射光線路徑反方向入射，則其對應的折射光線必沿原來的入射光線路徑的反方向傳播，從而照亮物體，故選C.

例4 小義某次在實驗室做“探究凸透鏡成像規(guī)律”實驗時，燭焰通過凸透鏡恰好在光屏上成一個倒立放大的像，若保持凸透鏡位置不變，把燭焰和光屏的位置對調一下，則（ ）.

A.光屏上仍能得到一個倒立放大的像

B.透過透鏡可觀察到一個正立放大的像

C.光屏上能得到一個倒立縮小的像

D.光屏上沒有像，需調節(jié)光屏才能成像

解析 由凸透鏡成像規(guī)律可知，當燭焰通過凸透鏡在光屏成一個倒立放大的像時，物距大于1倍焦距小于2倍焦距，像距大于2倍焦距.若保持凸透鏡位置不變，把燭焰和光屏的位置對調，則物距將變?yōu)榇笥?倍焦距，燭焰可以通過凸透鏡在大于1倍焦距小于2倍焦距的某處成一個倒立縮小的像.但這時的像是否一定能成在原來物體所處的位置上呢？為了便于研究，我們僅取燭焰上處于透鏡主光軸上的A點來研究，如圖4所示.我們知道，A點所成的像，是由從A點發(fā)出的光經凸透鏡折射后相交而成的，所以圖中主光軸上的點A′必是A點所對應的像點.如果把燭焰和光屏的位置對調，即把A點換放到A′點的位置，那么由光路可逆可知，這時處于A′點位置的燭焰上發(fā)出的光必會沿圖中光路的反方向傳播，并在圖中的A點處成相應的像點.由此可見，保持凸透鏡位置不變，把燭焰和光屏的位置對調一下，相應的物距與像距也是互換的，也就是現在所成像的位置就是原來物體的位置，故選C.

由以上幾例我們可以發(fā)現，在處理光路問題時，運用光路可逆這一性質可以幫助我們更好地理解許多光學中的現象及原理，在解題時可以幫助我們拓寬思路、鍛煉思維，所以同學們要重視對光路可逆的學習與運用.