折射現(xiàn)象是指當(dāng)光由一種介質(zhì)（比如水）斜射入第二介質(zhì)（比如空氣）時(shí)，在界面上部份光發(fā)生偏離原來(lái)路線而與原來(lái)路線產(chǎn)生夾角的現(xiàn)象。水里筷子變彎、水中石頭變淺、海市蜃樓、門上貓眼看人、放大鏡、眼鏡片等都是生活中常見(jiàn)的光的折射現(xiàn)象。

光的折射

光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變，從而使光線在不同介質(zhì)的交界處發(fā)生偏折。特性：光的折射與光的反射一樣都是發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界處，只是反射光返回原介質(zhì)中，而折射光線則進(jìn)入到另一種介質(zhì)中。由于光在在兩種不同的物質(zhì)里傳播速度不同，故在兩種介質(zhì)的交界處傳播方向發(fā)生變化，這就是光的折射。在折射現(xiàn)象中，光路可逆。注意：在兩種介質(zhì)的分界處，不僅會(huì)發(fā)生折射，也發(fā)生反射。反射光線光速與入射光線相同 ，折射光線光速與入射光線不相同。

規(guī)律

1、折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。（法線居中，與界面垂直）

2、折射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi)。（三線兩點(diǎn)一面）

3、當(dāng)光線從空氣斜射入其它介質(zhì)時(shí)，角的性質(zhì)：折射角 - 密度大的一方小于入射角（密度小的一方）；（在真空中的角總是大的，其次是空氣，注：不能在考試填空題中使用）

4、當(dāng)光線從其他介質(zhì)射入空氣時(shí)，折射角大于入射角。（以上兩條總結(jié)為：誰(shuí)快誰(shuí)大。即為光線在哪種物質(zhì)中傳播的速度快，那么不管那是折射角還是入射角都是較大的角，在空氣中的角度總是最大的）

5、在相同的條件下，折射角隨入射角的增大（減?。┒龃螅p小）。

6、折射光線與法線的夾角，叫折射角。

7、光從空氣斜射入水中或其他介質(zhì)時(shí)，折射光線向法線方向偏折，折射角小于入射角。

8、光從空氣垂直射入水中或其他介質(zhì)時(shí)，傳播方向不變。

9、口訣：三線共面，分居兩側(cè)，大角總在空氣中。

P.S.：

1、光垂直射向介質(zhì)表面時(shí)（折射光線、法線和入射光線在同一直線上），傳播方向不變，但光的傳播速度改變。

2、在光的折射中，光路是有可逆性的。

3、不同介質(zhì)對(duì)光的折射本領(lǐng)是不同的。空氣>水>玻璃 - 折射角度）{介質(zhì)密度大的角度小于介質(zhì)密度小的角度}

4、光從一種透明均勻物質(zhì)斜射到另一種透明物質(zhì)中時(shí)，折射的程度與后者分析的折射率有關(guān)。

5、光從空氣斜射入水中或其他介質(zhì)時(shí)，折射光線向法線方向偏折。

6、入射角的正弦值與折射角的正弦值的比等于光在兩種介質(zhì)中的速度比、波長(zhǎng)比。

即sin i /sin r =v1/v2=n=λ1╱λ2 - n為折射率，λ為波長(zhǎng)

成因

光波的折射原因

光，也是一種波，光波折射的原因可以用著名的唯象理論惠更斯原理解釋。

傳播介質(zhì)的改變是導(dǎo)致波發(fā)生折射的重要原因（具體原因詳見(jiàn)詞條最后“光波折射的機(jī)理”）。

如上圖，一列平行光波由介質(zhì)1射向介質(zhì)2，a，b是這列光波的兩條波線（光線），由于未經(jīng)過(guò)介質(zhì)2前，a，b兩波線波速、頻率等完全一樣，由于與臨界面成一定角度，所以當(dāng)波線a到達(dá)臨界面上的A點(diǎn)時(shí)，波線b剛剛傳到B點(diǎn)（圖中虛線AB⊥波線b）。

當(dāng)然波線a傳到臨界面后不會(huì)停止傳播，它會(huì)在A點(diǎn)形成一個(gè)子波源，分別向介質(zhì)1和介質(zhì)2以圓周式向四周發(fā)射波，其波速不變，依然和之前的波線a與波線b的波速等相等，只是以圓周形式向四周發(fā)射波。

我們假設(shè)光波在介質(zhì)1中的傳播速度大于在介質(zhì)2中的傳播速度。若波線b由B點(diǎn)傳播到臨界面上的B’點(diǎn)所用時(shí)間為t，則在t時(shí)間內(nèi)，由于同位于介質(zhì)1，波速不變，子波源A向介質(zhì)1中傳播的波前與A的距離（即在介質(zhì)1中的半圓A的半徑）就是波線b由B點(diǎn)傳到B’的距離（即BB’的長(zhǎng)度），形成波的反射。而子波源A向介質(zhì)2中傳播的波前與A的距離（即在介質(zhì)2中的半圓A的半徑）卻小于BB’ ，因?yàn)椴ㄔ诮橘|(zhì)2中的傳播速度小于在介質(zhì)1中的傳播速度，相同時(shí)間t 內(nèi)，速度v>v‘，所以路程S>S’，形成波的折射。

波線b到達(dá)臨界面上的B’后，也將會(huì)以子波源的形式向四周發(fā)射波，所以B’傳播的波前可以看作就是B’這個(gè)點(diǎn)。根據(jù)惠更斯原理，連接B’的波前（即點(diǎn)B’）與A在介質(zhì)1和介質(zhì)2中傳播的波前（即過(guò)B’分別作兩個(gè)半圓的切線B’M和B’N，切點(diǎn)分別為M，N，圖中所示綠色直線）則切線B’M和B’N就是波前的包絡(luò)面（即折射和反射后所形成的新的波前），所形成兩條的新的波線總是垂直于包絡(luò)面，即AM⊥B’M，AN⊥B’N。則射線AN就是光線a的折射光線，射線AM就是光線a的反射光線。

證明：入射角∠4>折射角∠3，即證明AN就是折射光線

解：利用平面幾何證明即可。在光的反射中已經(jīng)證明∠BAB’=∠MB’A（由于AM=BB’，所以Rt△BAB’=Rt△MB’A，HL），且∠4=∠BAB’。根據(jù)大邊對(duì)大角，AM>AN，且AB’=AB’，所以∠AB’N<∠MB’A，所以∠4=∠MB’A>∠3=∠AB’N。即入射角∠4>折射角∠3，AN就是折射光線，AM就是反射光線AM。

證明：入射角的正弦值與折射角的正弦值的比等于光在兩種介質(zhì)中的速度比：sin∠4/sin∠3=v/v‘

再看右圖，入射角∠4=∠MB’A，∠3=∠AB’N。所以sin∠MB’A=AM/AB’，sin∠AB’N=AN/AM，所以sin∠MB’A：sin∠AB’N=sin∠4/sin∠3=AM/AN=vt/（v‘t）=v/v’

即sin∠4/sin∠3=v/v’

因?yàn)橥环N波進(jìn)入不同介質(zhì)，頻率f不變，故根據(jù)v=λf，有v/v‘=λf/（λ’f）=λ/λ‘

光折射的新理論

光和物質(zhì)間的相互作用力使光的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變即折射。近代物理學(xué)指出，我們平時(shí)所說(shuō)的光是一種沒(méi)有靜質(zhì)量、體積非常小、運(yùn)動(dòng)速度比較高的物質(zhì)。光和其它物質(zhì)有相同的性質(zhì)。

1. 光在宏觀領(lǐng)域的折射：

在宇宙中，光經(jīng)過(guò)天體附近區(qū)域時(shí)，光和天體間的相互引力作用使光運(yùn)動(dòng)路線向天體方向較顯著彎曲（折射）。

2．光在微觀領(lǐng)域的折射：

如圖一所示：該圖是光折射實(shí)況縮小了約10倍圖，

光在介質(zhì)內(nèi)外各有一秒鐘的行程，綠色長(zhǎng)方體示絕對(duì)折射率n=1.5的透明介質(zhì)，黑線L示法線，紅線示光由A點(diǎn)以90度入射角射至點(diǎn)O，經(jīng)O點(diǎn)折射至B，藍(lán)線示光的余速度V余，黃線Vs示光在介質(zhì)中平行于界面的速度，Vh示光垂直于界面的速度。光在O點(diǎn)附近和介質(zhì)間有兩種較明顯的相互作用力效應(yīng)。

2.1．其中一種相互作用力是“動(dòng)斥力”作用：無(wú)論光以何種角度射入介質(zhì)都會(huì)和介質(zhì)發(fā)生同樣大小的“動(dòng)斥力”相互作用（都須要做同樣大小的入射功）,光射入介質(zhì)后速度都要降低。由圖看出光進(jìn)入介質(zhì)后平行于界面的速度僅剩下V余=c。光進(jìn)入介質(zhì)與磁體進(jìn)入閉合的電磁線圈的過(guò)程相似，它們都要和對(duì)方發(fā)生“動(dòng)斥力”相互作用，都要做入射功，都要降低入射速度。

2.2．光在O點(diǎn)和介質(zhì)的另一種相互作用力是光和界面間的相互引力：如圖二所示：該圖是約放大10倍的示意圖，OC線距離界面設(shè)為h=10m。光原來(lái)沒(méi)有垂直于界面的運(yùn)動(dòng)速度，光在介質(zhì)中垂直于界面的速度Vh是由它們間的相互引力作用產(chǎn)生的。

3. 用“光和物質(zhì)間相互作用力理論”計(jì)算光折射的方法比用“光折射定律”計(jì)算更快捷。

以圖三為例，圖三是光折射實(shí)況縮小約10倍示意圖，光在介質(zhì)內(nèi)外各有一秒鐘的射程，設(shè)：光以入射角a=60°射入折射率n=1.5的介質(zhì)，求光在介質(zhì)中平行于界面和垂直于界面的速度各是多少？

3.1設(shè)光在介質(zhì)中平行于界面的速度為Vs，無(wú)須求折射角即可直接求出該值，因?yàn)?/p>

Vs= V余sina=csina=sin601.333×10m/s

Vs =1.155×10m/s。

3.2設(shè)光在介質(zhì)中垂直于界面的速度為Vh:

Vh=（V- Vs）=1.633×10m/s

4. “用光和物質(zhì)間相互作用力理論”計(jì)算光在介質(zhì)中垂直于界面速度的另一種求法更精確：

如圖四所示，

4.1.求V余垂直于界面的分矢量Vh1

Vh1=V余cosa =0.66667×10m/s

4.2.求引力作用產(chǎn)生的速度Vh2

由引力公式得出光和介質(zhì)間的平均引力加速度A，

A=c - n-1/2hn=1.111×10m/s

由作用距離得平均引力加速度作用的時(shí)間T，設(shè)H=10m

H= Vh1T+AT∫dT

解得T=0.8696938455×10s

Vh2=AT=0.966326495×10m/s

4.3.最后求出光垂直于界面的總速度

Vh= Vh1+ Vh2=1.63299316167×10m/s

通過(guò)以上運(yùn)算我們看到:用“光和物質(zhì)間相互作用力理論”，計(jì)算光折射的數(shù)據(jù)比用“光的折射定律”計(jì)算的更準(zhǔn)確。不論在宏觀領(lǐng)域觀測(cè)或是在微觀領(lǐng)域觀察;不論是在光現(xiàn)象中或是理論計(jì)算，均可看出光和物質(zhì)間的相互作用力是光折射的主要因素。然而，“光和物質(zhì)間相互作用力理論”的提出要?dú)w功于近代物理學(xué)廣義相對(duì)論的深入研究。

特殊情況

全反射

光由光密（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）媒質(zhì)射到光疏（即光在此介質(zhì)中折射率小的）媒質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。光由光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)，要離開(kāi)法線折射，如圖所示。當(dāng)入射角θ增加到某種情形（圖中的e射線）時(shí)，折射線延表面進(jìn)行，即折射角為90°，該入射角C稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無(wú)折射，全部光線均反回光密媒質(zhì)（如圖f、g射線），此現(xiàn)象稱為全反射。

這就是光纖通信的原理。只有在光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。

光從介質(zhì)射入空氣（真空）時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角C與介質(zhì)的折射率n的定量關(guān)系是： sinC=1 從這個(gè)關(guān)系式可以看出，介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小。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24.4°。

全反射是自然界里常見(jiàn)的現(xiàn)象。例如，水中或玻璃中的氣泡，看起來(lái)特別明亮，就是因?yàn)楣鈴乃虿Ａ湎驓馀輹r(shí)，一部分光在界面上發(fā)生了全反射的緣故。

全反射應(yīng)用

當(dāng)鏡面的截面為等腰直角三角形時(shí)，光垂直于某一直角邊射入玻璃，由于光的方向與玻璃棉垂直，光線不發(fā)生偏折。但在玻璃內(nèi)部，光射向玻璃與空氣的界面時(shí)，入射角大于臨界角，發(fā)生全反射。與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎可達(dá)100%；由于反射面不必涂敷任何反光物質(zhì)，所以反射時(shí)失真小。這種棱鏡在望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器中用來(lái)改變光的方向，用得十分廣泛。

當(dāng)光在玻璃中傳播時(shí)，如果從玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光就會(huì)發(fā)生全反射，于是光在玻璃棒內(nèi)沿著鋸齒形路線傳播。這就是光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的原理。1966年，33歲的華裔科學(xué)家高錕博士提出一個(gè)理論：直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來(lái)作為光的波導(dǎo)來(lái)傳輸大量信息。43年以后，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

?物理本質(zhì)

光

光是一種電磁波，在傳播過(guò)程中有兩個(gè)垂直于傳播方向的分量：電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量。當(dāng)電場(chǎng)分量與傳播過(guò)程中的每一個(gè)原子發(fā)生作用，引起電子極化，即造成電子云和原子荷重心發(fā)生相對(duì)位移。其結(jié)果是一部分能量被吸收，同時(shí)光的速度被增大，方向發(fā)生變化，導(dǎo)致折射的發(fā)生。

反射和折射不能用粒子性解釋，應(yīng)用經(jīng)典粒子理論得到的折射速度不對(duì)。在經(jīng)典波動(dòng)光學(xué)之中能有較好的解釋。在利用近代理論解釋光的折射和反射過(guò)程中，也不能理解為粒子碰撞。實(shí)際上可以理解為部分光子透射、部分光子反射。但是如果想問(wèn)是哪個(gè)光子反射、哪個(gè)光子折射，實(shí)際上是辦不到的。因?yàn)楣庾又淮黼姶艌?chǎng)能量分布，其出現(xiàn)多少代表了電磁場(chǎng)的能量大小。在光入射到物質(zhì)表面時(shí)，部分電磁場(chǎng)能量透射，形成折射光，部分電磁場(chǎng)能量反射，因此在折射和反射方向都能探測(cè)到光子。

眼睛不能直接看光。