第一節(jié)

光的折射與全反射一、光的折射二、全反射

一、光的折射在初中我們已經(jīng)學(xué)過，在同種均勻的介質(zhì)中光是沿直線傳播的，光在真空中的傳播速度為3×108

m/s。當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生方向上的變化，光的這種方向變化叫作折射。為了描述介質(zhì)的這種性質(zhì)，人們把光在真空中的速度c和光在介質(zhì)中的速度v

之比叫作介質(zhì)的折射率，用n表示：光為什么會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象呢？經(jīng)過長期的理論和實(shí)驗(yàn)的研究，人們發(fā)現(xiàn)折射現(xiàn)象與光在介質(zhì)中的傳播速度有關(guān)。光在真空中的速度最大，?在其他介質(zhì)中的速度都小于此值。因此當(dāng)光從真空射入其他不同的介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生不同程度的偏折，這種現(xiàn)象顯示了介質(zhì)對(duì)光的一種性質(zhì)。幾種介質(zhì)的折射率金剛石

2.42二硫化碳

1.6玻璃

1.5～1.9樹脂

1.5～1.8水晶

1.55

甘油

1.47

酒精

1.36

水

1.33

冰

1.31

空氣

1.00028由表中可以看出，空氣的折射率非常接近于1（真空的折射率），有時(shí)我們就忽略這種差異，認(rèn)為空氣的折射率為1。由于光在真空中的速度大于光在任何介質(zhì)中的速度，所以，其他介質(zhì)的折射率都大于1。下表列出了幾種介質(zhì)的折射率。當(dāng)光從介質(zhì)n1

射入介質(zhì)n2（例如從空氣射入玻璃）時(shí)，入射光線和法線間的夾角θ1

叫作入射角，折射光線和法線間的夾角θ2

叫作折射角，如右圖所示。n1sinθ1＝n2sinθ2人們把這個(gè)規(guī)律叫作光的折射定律，也叫斯涅耳定律。它們之間的定量關(guān)系是1621年荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳發(fā)現(xiàn)的：

二、全反射兩種介質(zhì)相比較，折射率大的稱為光密介質(zhì)，折射率小的稱為光疏介質(zhì)。光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)（例如從玻璃射向空氣）時(shí)，入射角總是小于折射角。當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，就出現(xiàn)了一種奇特現(xiàn)象。演示實(shí)驗(yàn)當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，并且當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫作全反射現(xiàn)象。在全反射現(xiàn)象中，剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90°時(shí)的入射角是一個(gè)很重要的物理量，叫作臨界角。當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角等于或大于臨界角，就發(fā)生全反射現(xiàn)象，如下圖所示。n

sinC＝1×sin90°不同的介質(zhì)，由于折射率不同，在空氣中發(fā)生全反射現(xiàn)象的臨界角也不一樣。根據(jù)折射定律可得從折射率表中查出物質(zhì)的折射率，就可以用上式求出光從這種介質(zhì)射到空氣（或真空）時(shí)的臨界角。水的臨界角為48.8°，各種玻璃的臨界角為32°～42°，金剛石的臨界角為24.5°。金剛石經(jīng)過一定方式的切割，進(jìn)入其中的光線在金剛石內(nèi)經(jīng)過多次全反射后可以從某個(gè)表面射出。由于幾乎所有方向都能看到從金剛石中射出的光線，所以金剛石在光照下顯得璀璨奪目，如下圖所示。人們常說的信息高速公路，就是用光導(dǎo)纖維來構(gòu)架的通信網(wǎng)絡(luò)。光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，是利用全反射現(xiàn)象傳遞信息的。市面上有一種兒童玩具叫“滿天星”，由一個(gè)發(fā)光系統(tǒng)和數(shù)百根塑料絲組成。啟動(dòng)開關(guān)后，它一邊發(fā)光，一邊旋轉(zhuǎn)，給人帶來滿天星斗的感覺。它的原理是：從塑料絲一端射進(jìn)塑料絲內(nèi)的光線，在絲的內(nèi)壁多次發(fā)生全反射，沿著鋸齒形路線由絲的另一端傳出來。塑料絲就像光導(dǎo)纖維一樣。實(shí)用的光導(dǎo)纖維是用純度極高的石英拉制成的極細(xì)的絲，直徑在幾微米到一百微米之間，由纖芯和包層組成。纖芯材料的折射率比包層的大，在纖芯中傳播的光會(huì)在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，使得光在光纖中沿纖芯傳播，如右圖所示。實(shí)際的光纖在包層外面還有一層緩沖涂覆層，其作用是保護(hù)光纖免受環(huán)境污染和機(jī)械損傷。醫(yī)學(xué)上用光導(dǎo)纖維制成內(nèi)窺鏡，如右圖所示，用來檢查人體胃、腸、氣管等器官。實(shí)際的內(nèi)窺鏡裝有兩組光纖，一組用來把光傳送到人體內(nèi)部用于照明，另一組用來觀察。載有聲音、圖像以及各種數(shù)字信號(hào)的激光從光纖的一端輸入，可以沿著光纖傳輸?shù)角Ю镆酝獾牧硪欢耍瑢?shí)現(xiàn)光纖通信。光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)是容量大、衰減小、抗干擾能力強(qiáng)。一對(duì)光纖的傳輸能力理論值為二十億路電話，一千萬路電視?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)已成為人們的生活必需品，各式各樣的網(wǎng)絡(luò)不論是電話網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，甚至是移動(dòng)電話的GSM、CDMA網(wǎng)絡(luò)，最終還是要靠光纖網(wǎng)絡(luò)來連接。由于光纖傳輸?shù)念l寬是電纜傳輸?shù)臄?shù)百倍，且光纖通信的技術(shù)仍在不斷地突破中，未來光纖網(wǎng)絡(luò)仍具有相當(dāng)?shù)某砷L性，因此有人說20世紀(jì)是電的世紀(jì)，21世紀(jì)則是光的世紀(jì)。練習(xí)6-1

1．若玻璃的折射率是1.52，水的折射率是1.33，求光在玻?璃和水中的傳播速度分別是多少？答案：

2.0×108

m/s；

2.3×108

m/s。

2．當(dāng)光由水射向玻璃時(shí)，會(huì)不會(huì)發(fā)生全反射？答案：不會(huì)。