白河湾湾学习加油站欢迎您!懒人高中物理在线视频答疑!
懒人高中物理在线答疑_白河湾湾

第四章光4.1光的折射

光给世界带来光明,使我们能看清周围的景物,进行各种活动;光从太阳、星球射到我们这里,给我们带来了宇宙空间的信息,使我们能够认识宇宙;光从原子、分子内部发射出来,使我们认识了微观世界的奥秘。光学既是物理学中一门古老的学科,又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一,具有强大的生命力和不可估量的发展前景。
按照不同的研究目的,光学可以粗略地分为两大分支:一支利用几何学的概念和方法研究光的传播规律,称为几何光学;另一支主要研究光的本性以及光与物质相互作用的规律,通常称为物理光学。
在本章中,我们将学习几何光学和物理光学的初步知识。
▶▶▶固执于光的旧有理论的人们,最好是从它自身的原理出发,提出实验的说明。并且,如果他的这种努力失败的话,他应该承认这些事实。
——托马斯·杨
4.1光的折射
光的折射
射水鱼在水中能准确射中水面上不远处的小昆虫。水中的鱼看到小昆虫在什么位置?是在昆虫的上方还是下方?
阳光照射水面时,我们能够看到水中的鱼和草,同时也能看到太阳的倒影,这说明:光从空气射到水面时,一部分光射进水中,另一部分光返回到空气中。一般说来,光从第 1 种介质射到该介质与第 2 种介质的分界面时,一部分光会返回到第1种介质,这个现象叫作光的反射;另一部分光会进入第2种介质,这个现象叫作光的折射(图4.1-1)。
 4.1-1 光的反射和折射同时发生
光在反射时遵从反射定律,光在折射时遵从什么规律呢?

折射定律

图 4.1-2 光的折射
如图4.1-2,让一束光由一种介质斜着射向另一种介质,例如,从空气射向水中,入射光线与法线的夹角θ1称为入射角,折射光线与法线的夹角θ2称为折射角。光在折射时,折射角与入射角之间会有什么定量的关系?
_______________________
① 托马斯 · 杨(Thomas Young, 1773 — 1829),英国物理学家、考古学家、医生,光的波动说的奠基人之一。
我们可以通过做类似图 4.1-2 所示的实验,测量多个入射角和折射角,找出这些数据之间的关系。1621 年,荷兰数学家斯涅耳在分析了大量实验数据后,找到了两者之间的关系,并把它总结为光的折射定律(refraction law):折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比,即
sinθ1/sinθ2=n12     (1)
式中 n12 是比例常数,它与入射角、折射角的大小无关,只与两种介质的性质有关。① 我们在初中学过的透镜就是根据光的折射原理制成的。
▶在实际应用中,遇到最多的情形是光从空气射入某种介质,或从某种介质射入空气,而空气对光的传播的影响很小,可以作为真空处理。
事实表明,当光从水中斜射入空气时也会发生偏折,而且当光线沿图 4.1-2 中 BO 的方向进入空气时,折射光线必沿 OA 的方向射出。也就是说,与光的反射现象一样,在光的折射现象中,光路也是可逆的。

折射率

下面我们讨论光从真空射入介质的情形。这时,(1)式中的常数 n12 可以简单地记为 n。
对于不同的介质来说,常数 n 是不同的。例如,光从真空射入水中时,n = 1.33 ;光从真空射入某种玻璃时,n = 1.50。可见常数 n 与介质有关系,是一个反映介质的光学性质的物理量。常数 n 越大,光线以相同入射角从真空斜射入这种介质时偏折的角度越大。
光从真空射入某种介质发生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,叫作这种介质的绝对折射率,简称折射率(refractive index),用符号 n 表示。真空的折射率为 1,空气的折射率近似为 1。
研究表明,光在不同介质中的传播速度不同;某种介质的折射率,等于光在真空中的传播速度 c 与光在这种介质中的传播速度 v 之比,即
n=c/v
由于光在真空中的传播速度 c 大于光在任何其他介质中的传播速度 v,因而任何介质的折射率 n 都大于 1。所以,光从真空射入任何介质时,sin θ1 都大于 sin θ2,即入射角总是大于折射角。下表列出了几种介质的折射率。
表 几种介质的折射率(λ = 589.3 nm t = 20 ℃)
几种介质的折射率(λ = 589.3 nm t = 20 ℃)
折射率是衡量材料光学性能的重要指标。根据折射定律,可以测量材料的折射率。
_______________________
① 在国内外各种参考书中,这个比例常数的符号有的用 n12 表示,有的用 n21 表示,还有的用 1n2 表示。国家标准没有关于这个符号的规定,阅读时要通过上下文明确符号的意义。本书采用第一种符号。
实验

测量玻璃的折射率

图 4.1-3 测量玻璃的折射率
如图 4.1-3,当光以一定的入射角透过一块两面平行的玻璃砖时,只要找出与入射光线 AO相对应的出射光线O′D,就能够画出光从空气射入玻璃后的折射光线 OO′,于是就能测量入射角 θ1、折射角 θ2。 根据折射定律,就可以求出玻璃的折射率了。
怎样确定与入射光线 AO 相对应的折射光线 OO′?在木板上面铺一张白纸,把玻璃砖放在纸上,描出玻璃砖的两个边 a 和 a′。然后,在玻璃砖的一侧插两个大头针 A、B,AB 的延长线与直线 a 的交点就是 O。眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针,使 B 把 A 挡住(图 4.1-3),
图 4.1-3 测量玻璃的折射率
这样大头针 A、B 就确定了射入玻璃砖的光线。
在眼睛这一侧再插第三个大头针 C,使它把 A、B 都挡住,插第四个大头针 D,使它把前三个大头针都挡住,那么,后两个大头针就确定了从玻璃砖射出的光线。在白纸上描出光线的径迹,测量相应的角度,计算玻璃的折射率 n。
实验中,应该采取哪些措施以减小误差?
【例题】
光的折射
如图4.1-4 ,一个储油桶的底面直径与高均为d。当桶内没有油时,从某点A恰能看到桶底边缘的某点B。当桶内油的深度等于桶高的一半时,仍沿AB 方向看去,恰好看到桶底上的点C,C、B两点相距d/4 。求油的折射率和光在油中传播的速度。
分析 在图乙中过直线 AB 与油面的交点 O 作油面的垂线,交桶底于 N′点。根据题意可知,来自 C 点的光线沿 CO 到达油面后沿 OA 方向射入空气。折射现象中光路是可逆的,因此如果光线沿 AO 方向由空气射到油面,折射光线将沿 OC 进入油中。以∠AON 作为入射角,以∠CON′作为折射角,由折射定律可以求出油的折射率 n。
因为底面直径与桶高相等,所以
∠AON =∠BON′= 45º
由 ON′= 2CN′可知
折射定律
因此,油的折射率
油的折射率
因为n=c/v,所以光在油中的传播速度
v=c/n
练习与应用
光大厦折射
1. 图 4.1-5 是光线由空气射入半圆形玻璃砖,再由玻璃砖射入空气中的光路图。O 点是半圆形玻璃砖的圆心,指出哪些情况是可能发生的,哪些情况是不可能发生的。
2. 光 以 60° 入射角从空气射入折射率n =√ 3的玻璃中,折射角是多大?画出光路图。
光的折射
3. 图 4.1-6 是光由空气射入某种介质时的折射情况,试由图中所给出的数据求出这种介质的折射率和这种介质中的光速。
4. 为了从坦克内部观察外部的目标,在坦克壁上开了一个孔。假定坦克壁厚 20 cm,孔的左右两边距离 12 cm,孔内安装一块折射率为 1.52 的玻璃,厚度与坦克的壁厚相同(图4.1-7,俯视图)。
坦克视野
坦克内的人通过这块玻璃能看到的外界角度范围为多大 ?
图 4.1-3 测量玻璃的折射率
5. 关于图 4.1-3 测定玻璃折射率的实验,回答以下问题。
(1)证明图中的入射光线与射出玻璃砖的光线是平行的。
(2)射出玻璃砖的光线相对入射光线来说产生了侧移。证明:入射角越大,侧移越大。
6. 将一根筷子竖直插入装有水的玻璃杯中,从水平方向拍摄的照片如图 4.1-8 所示。
光的折射
看上去,浸在水中的这段筷子产生了侧移,而且变粗了。如何解释观察到的现象?


上一篇:复习与提高
下一篇:4.2全反射

本章内容整理自最新人教版高中物理,为的是方便学生在手机端查看。如有不妥请及时告知!

友情链接: 懒人高中物理 白河湾湾   

飞飞鼠高中物理   服务热线:0377*******
电子邮箱: 646854220@qq.com

地址:河南省南阳市新野县白河大桥

白河湾湾向东流,就是这么牛!

Copyright © 白河湾湾 版权所有  
豫ICP备2021011634号-1   

豫公网安备 41132902001101号