引入
为什么插入水中的筷子看起来是弯的?
为什么光从空气进入水中会改变方向?
为什么棱镜能把白光分成七色?
折射率描述“光在介质中变慢多少”。光速变化导致方向偏折,导致色散,也导致全反射。它是几何光学的核心参数。
正文
定义
折射率是光在真空中的速度 与在介质中的相速度 之比:
因为 ,所以 。真空的折射率为 1,空气约为 1.0003。
常见介质的折射率
| 介质 | (约) |
|---|---|
| 空气 | 1.0003 |
| 水 | 1.33 |
| 酒精 | 1.36 |
| 玻璃 | 1.5 |
| 钻石 | 2.42 |
钻石折射率高,能强烈折射和全反射光线,所以看起来特别闪耀。
斯涅尔定律
光从一种介质进入另一种介质时,入射角和折射角满足:
这是折射定律,由荷兰物理学家斯涅尔发现。
| 情形 | 光线偏折 |
|---|---|
| 从光疏到光密() | 折射角小于入射角,靠近法线 |
| 从光密到光疏() | 折射角大于入射角,远离法线 |
为什么光会折射
光在不同介质中速度不同。波前到达界面时,一侧先变慢,另一侧还快,波前就发生偏转。
可以用“行军比喻”:一队人斜着走进泥地,先进入泥地的一侧变慢,队伍整体就会转向。光的折射是同一回事。
折射率与波长
折射率随波长变化,这就是光的色散:
一般规律:波长越短,折射率越大。所以紫光比红光偏折得更厉害,棱镜能把白光分开。
| 颜色 | 波长(约) | 玻璃中折射率(约) |
|---|---|---|
| 红 | 700 nm | 1.51 |
| 绿 | 550 nm | 1.52 |
| 紫 | 400 nm | 1.53 |
全反射的临界条件
当光从光密介质射向光疏介质,入射角增大到某一值时,折射角达到 ,超过后不再有折射光,全部反射回原介质。这个角叫临界角:
应用
| 应用 | 原理 |
|---|---|
| 透镜 | 折射使光线会聚或发散 |
| 棱镜 | 色散分光 |
| 光纤 | 全反射传输信号 |
| 海市蜃楼 | 空气密度梯度导致折射率变化 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “折射率越大,光速越快” | 恰好相反, |
| “折射率是固定值” | 随波长、温度、压强变化 |
| “光进入介质后频率改变” | 频率不变,波速和波长改变 |
引出
全反射的条件和临界角如何计算?见临界角。
为什么不同颜色的光折射率不同?见光的色散。
折射率与介电常数有什么关系?