龔 澳
(湖南省長沙縣第一中學(xué) 湖南長沙 410100)
淺析“光的折射”和“光的全反射”現(xiàn)象
龔 澳
(湖南省長沙縣第一中學(xué) 湖南長沙 410100)
光的折射、光的反射以及光的全反射是光在傳播過程中表現(xiàn)出的重要光學(xué)現(xiàn)象,其不僅是高中物理的重點(diǎn)內(nèi)容,同時(shí)也是高考熱點(diǎn)之一。因此,我們在學(xué)習(xí)這部分知識(shí)時(shí),不僅要理解光在傳播過程中的相關(guān)規(guī)律,還需要掌握相應(yīng)的分析方法,并能運(yùn)用光的折射和光的全反射知識(shí)解決實(shí)際問題。
光的折射 光的全反射 現(xiàn)象
光學(xué)現(xiàn)象在我們的生活中是十分常見的,比如色散就是光的折射引起的,而光的全反射是對(duì)光的折射現(xiàn)象的進(jìn)一步延伸,兩者在很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。光的折射和光的全反射是光學(xué)中的重點(diǎn),也是我們在高中物理學(xué)習(xí)中必須掌握的知識(shí)。[1]
1. 光的折射現(xiàn)象及折射規(guī)律
在光的折射現(xiàn)象中,會(huì)涉及到兩種介質(zhì),當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),其傳播方向會(huì)發(fā)生改變,這一現(xiàn)象就稱為光的折射現(xiàn)象。光的折射會(huì)遵從一定的規(guī)律,即同一平面內(nèi)存在“三線”,包括入射光線、折射光線和法線,前兩者分別處于法線的左側(cè)和右側(cè)。入射角與折射角存在關(guān)系sini=nsinr,其中,i表示入射角,r表示折射角,n表示介質(zhì)的折射率。從該等式中,我們可以看到,入射角的正弦與折射角的正弦呈正比例關(guān)系。此折射規(guī)律反應(yīng)的是介質(zhì)對(duì)光的偏折本領(lǐng)的大小。此外,在光的折射現(xiàn)象中,光路是可以沿著原來的方向反射回來的,即光路是可逆的。[2]
2. 生活中常見的光的折射現(xiàn)象
光的折射現(xiàn)象在生活中是非常多的。比如,我們可以看到魚兒在清澈的水里游動(dòng),但是我們卻捉不到,這就是因?yàn)楣獾恼凵?,使我們看到的是魚的虛像,當(dāng)我們用手去摸魚時(shí),并沒有真正的碰到魚。又如,將一根筷子放進(jìn)一碗水中,我們會(huì)看到筷子像折斷了一樣,這也是由于光的折射引起的。此外,水池里的水看起來比實(shí)際深度要淺;一枚硬幣放在杯底,將杯子移至我們看不到的地方,再往杯里倒水,我們就能看到硬幣;凹透鏡、凸透鏡等等,都是利用了光的折射現(xiàn)象。
3. 光的折射現(xiàn)象的分析方法
比如,彩虹是由于在雨后太陽光射入雨滴發(fā)生色散而形成的,我們可以假設(shè)水滴是呈球形的,下圖中的圓形表示水滴過球心的截面,入射光線通過這個(gè)截面,出現(xiàn)四條出射光線,即a、b、c、d,判斷他們分別為紅、藍(lán)、黃、紫的哪一種顏色的光。
我們的解題思路如下:根據(jù)相同介質(zhì)對(duì)不同色光的折射率不同,可以知道,折射率隨著色光頻率的增高而增大,光的偏折程度便越明顯。因此,由圖可知,a、b、c、d分別代表的是紫光、藍(lán)光、黃光和紅光。
1. 光的全反射現(xiàn)象及需滿足的條件
以光的折射現(xiàn)象為基礎(chǔ),當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí),會(huì)在交界面同時(shí)發(fā)生折射現(xiàn)象和反射現(xiàn)象,且反射角始終小于折射角,折射角可以不斷增大,其能夠達(dá)到90°。當(dāng)入射角不斷增大,會(huì)使折射消失,因此只剩下反射,這樣的現(xiàn)象就叫做光的全反射。其需要滿足兩個(gè)條件:第一,光是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)的,如果光是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)的,則不可能發(fā)生光的全反射現(xiàn)象;第二,要保證入射角的角度足夠大,如果入射角過小,就不會(huì)出現(xiàn)光的全反射現(xiàn)象。
2. 生活中常見的光的全反射現(xiàn)象
光的全反射現(xiàn)象是很常見的,比如,我們每天都會(huì)用到的鏡子,就是因?yàn)殓R子會(huì)接收光,并將其全部反射回來,我們才能在鏡子中看到自己的樣子。而如果鏡面是不平的,就會(huì)由于入射光線與反射光線始終在法線的兩側(cè),且與法線成相同大小的角,因此我們在鏡子中看到的像就會(huì)是拉伸、扭曲的,我們在生活中看到的哈哈鏡就是利用這樣的原理設(shè)計(jì)而成的。又如,汽車的后視鏡為凹面,由于光的全反射,當(dāng)汽車后面的景物印入我們眼中時(shí)就是呈縮小狀態(tài)的,所以我們能通過一面小小的鏡子看到很寬區(qū)域的景物。此外,醫(yī)院里的內(nèi)窺鏡、望遠(yuǎn)鏡,自行車的尾燈等都利用了光的全反射原理。
3. 光的全反射現(xiàn)象的分析方法
下圖表示一直角棱鏡的橫截面,其中∠bac為直角,∠abc為60°,假設(shè)一束平行的光線從O點(diǎn)射入棱鏡,并垂直于bc面,當(dāng)棱鏡的折射率為用n表示,且不考慮原入射光在bc面的反射光,求光線的射出方向。
我們的分析思路如下:首先我們需要繪制出相應(yīng)的光路圖,如下圖所示:
從圖中我們可以分析出,當(dāng)光束從bc面到ab面上時(shí),入射角用r1表示,其大小應(yīng)為60°,用C表示棱鏡的臨界角,于是我們可以得出由可得C=45°,因此光線在ab面上會(huì)發(fā)生全反射,其反射光線將由ac面射出。
綜上所述,學(xué)習(xí)光的折射現(xiàn)象與光的反射現(xiàn)象,最重要的是要理解其遵循的規(guī)律和應(yīng)滿足的條件,并把握好其內(nèi)涵。在有的現(xiàn)象中,可能會(huì)包含多種光學(xué)現(xiàn)象,因此在分析時(shí),要結(jié)合每種光學(xué)現(xiàn)象的規(guī)律,抓住其關(guān)鍵點(diǎn)來分析,否則就可能遺漏某些光學(xué)過程。
[1]楊燕婷,邵溫怡,金戈等.自制光的全反射演示儀[J].物理實(shí)驗(yàn),2014,(9):20-21,24.
[2]許茂林,韓宏開.“光的全反射”問題的類型及其解答策略[J].中學(xué)物理(高中版),2014,32(1):81-82.