光的反射與光的折射

1、第一章：像夸父追日一樣，我們追光，是為了得到光明!夸父追日是一個傳說，但表達了人類勇敢的探索精神。夸父的結(jié)局不太美， 但我們?nèi)祟悺白啡铡钡某晒苊馈Ｊ堑?，在黑暗的宇宙空間中，我們需要更多的 光，來照亮我們的前路。今天這篇文章，就是關(guān)于光的。后面的幾篇文章，也會是關(guān)于光的知識。我 在猜想對光的所有實驗的總結(jié)，會得到一個什么推理或猜想。對于我來說，非常 重要。對于大家來說，也同樣重要。關(guān)于光的研究，可以追溯到幾百年前。但我要例舉的這些實驗其實距離我們 并不遠。一起來看看吧。首先我要說的是，關(guān)于光的認識我們最先是研究光的反射，折射，運動速度 等現(xiàn)象，后來由麥克斯韋統(tǒng)一了電磁學后，才認識到光其實是一種

2、電磁波。再后 來，進行了光電效應，光的衍射，干涉等實驗，使得光從宏觀走到了量子層面。 所以從這個認識上來說，光這個概念，在物理學中的位置很微妙，它是有承上啟 下的作用的。所以對于的光的本質(zhì)認識，是我們?nèi)祟惐?須克服的難題。直到現(xiàn)在光的速度，光的質(zhì)量， 光的波粒二象性等都還是人類津津樂道的話 題，也是科學家還在不斷深入研究的對象?，F(xiàn)代物理學的兩大支柱相對論和量子力 學，哪一個都不能缺少光。有的人甚至說只要 把光【電磁波】的本質(zhì)研究到位，宏觀的，量 子的問題都能迎刃而解；還有人說光就是破解宇宙的密碼。不管怎么樣，我們先 走進光的神奇世界，慢慢揭開它的面紗。1、光的反射.關(guān)于光的反射，可以說是我們最

3、早就開始研究的內(nèi)容。光射到兩種不同的介 質(zhì)時，便有部分光自界面射回原介質(zhì)中的現(xiàn)象，稱為光的反射。大概有這么三種反射情況：反射光 線與入射光線、法線在同一平面上；反 射光線和入射光線分居在法線的兩側(cè)； 反射角等于入射角?？蓺w納為：“三線 共面，兩線分居，兩角相等”。光具有 可逆性。光的反射現(xiàn)象中，光路上是可 逆的。還有我們初中就知道了，光的反射 分為鏡面反射，漫反射，方向反射。方向反射是介于漫反射和鏡面反射之間反射稱為方向反射，也稱非朗伯反射，其表 現(xiàn)為各向都有反射，且各向反射強度不均一。2、光的折射光從一種透明介質(zhì)斜射入另一種透明介質(zhì)時，傳播方向一般會發(fā)生變化，這 種現(xiàn)象叫光的折射。理解：光的

4、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，而折射光則進入到另一種介質(zhì)中，由于光在兩種不同的物質(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。光的折射和介質(zhì)的折射率有 關(guān)。折射率定義：光從真空射入介 質(zhì)發(fā)生折射時，光在發(fā)生折射時入 射角與折射角符合斯涅爾定律。即 入射角i與折射角r的正弦之比n 叫做介質(zhì)的“絕對折射率”，簡稱“折射率”。公式：n=sini/sinr，這條公式被稱為斯涅爾公式。同一介質(zhì)對不同波長的光，具有不同的折射率?？梢姽庹凵渎释ǔｋS著波 長的減小而增大，即紅光最小、紫光最大。接下來我們來說說光的全反射。從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)

5、時入射角增大到某臨 界角時，會產(chǎn)生全反射。臨界角公式為：J*；。（C為臨界角）當光射到兩種介質(zhì)界面，只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象。 當光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，折射角將大于入射角。當入射角增大到某一數(shù) 值時，折射角將達到90，這時在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，只要入射角 大于或等于上述數(shù)值時，均不再存在折射現(xiàn)象，這就是全反射。所以產(chǎn)生全反射的條件是：光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角必 須大于或等于臨界角（C）。所謂光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對的。兩物質(zhì)相比，折射率較小的，光速在其 中較快的，就為光疏介質(zhì)；折射率較大的，光速在其中較慢的，就為光密介質(zhì)。 例如，水折射率大于空氣，所以相對于空氣而

6、言，水就是光密介質(zhì)；而玻璃的折 射率比水大，所以相對于玻璃而言，水就是光疏介質(zhì)。臨界角是折射角為90度時對應的入射角（只有光線從光密介質(zhì)進入光疏介 質(zhì)且入射角大于或等于臨界角時，才會發(fā)生全反射。）上面這些內(nèi)容，知識是我們初中就學習的內(nèi)容，教科書更多的是從宏觀角度 去教我們認識光的?？墒沁@本書名字叫見微知著，是從量子角度來認識世界 的。所以我們有必要從量子角度來理解光的反射和折射。首先我們應該知道光的 本質(zhì)是一種電磁波。人眼可以看見的電磁波。光波是一種高頻的電磁輻射。光波 與界面原子分子發(fā)生相互作用導致其傳播方向的改變、相位及偏振變化，以及 能量和能流的重新分配。這就是反射和折射的本質(zhì)。在現(xiàn)實生

7、活中，我們就常見到是的漫反射?？墒巧厦嫖覀兘榻B了反射和全反 射。反射是存在的，全反射存在嗎？其實在我看來，絕對意義上的 全反射是不存在的。有以下幾點原 因。一、界面的“光滑”不絕對， 也就是沒有絕對光滑的界面。也就 是說任何界面是有摩擦力的，都是 凹凸不平的。那么根據(jù)菲涅耳和惠 更斯的波動說，次波在P點處所引 起的振動的振幅與r成反比。這相 當于表明次波是球面波。光粒子就 難免會被漫反射。二、真空不空，光的所攜帶的 能量，在傳播過程中不能保證不損失，不能保證光子不與空間中的能量發(fā)生交互。三、光是量子的光，與界面接觸，不能保證不被界面吸收能量，或者折射 部分光粒子。比如太陽光照到我們?nèi)松砩系臅r候

8、，一部分光穿過人的身體而去， 一部被人體吸收，還有一部分被漫反射回空氣中。所以真正意義上的全反射，全折射都是不存在的。這是教科書上通常不嚴 格提醒學生的。最后大家要記住，光的反射，折射等都主要體現(xiàn)了光的波動性。所以在本 章中多以“光波”來說。為什么這么說呢？如果光不體現(xiàn)光的波動性，只是粒 子性。那么光子就會穿過很多的物體，而不會發(fā)生反射，折射。正是因為光具 有波動性，所以這樣的情況不會發(fā)生。光波是一種特定頻段的電磁波。光在傳播過程中有兩個垂直于傳播方向的分 量：電場分量和磁場分量。當電場分量與介質(zhì)中的原子發(fā)生相互作用，引起電子 極化，即造成電子云和原子荷重心發(fā)生相對位移。其結(jié)果是一部分能量被吸收， 同時光在介質(zhì)中的速度被減慢，方向發(fā)生變化，導致折射的發(fā)生。就像我上面說的，反射和折射不能用粒子性解釋。在利用近代理論解釋光的 折射和反射過程中，也不能理解為粒子碰撞。實際上可以理解為部分光子透射、 部分光子反射。但是如果想問是哪個光子反射、哪個光子折射，實際上是辦不到 的。因為光子只代表電磁場能量分布，其出現(xiàn)多少代表了電磁