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        光的折射

        2009-12-31 00:00:00

        我們說(shuō)光是沿直線傳播的,那是指光在同一種均勻介質(zhì)中(例如在空氣中或在水中)傳播的情形,如果光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì),如從空氣斜射進(jìn)入水或玻璃時(shí),由于光在不同介質(zhì)中傳播的速度不同,光的傳播方向會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱之為光的折射現(xiàn)象。

        一、折射現(xiàn)象

        1 自然景觀中的折射現(xiàn)象

        在自然界中。大氣層的各部分密度是有差別的,有時(shí)這種密度差還很大,光在這些密度不均勻的空氣中傳播會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象,從而產(chǎn)生一些奇特美妙的自然景觀。

        (1)蜃景 這是在海面上或沙漠上出現(xiàn)的虛幻景象,是一種奇特的景觀,古代的人誤認(rèn)為是蜃(大蛤蜊)吐氣而成,故叫做蜃景。

        海市蜃樓夏天海面附近的溫度比高空低,由于熱脹冷縮,上層的空氣比海面附近的空氣稀疏,遠(yuǎn)處物體反射的太陽(yáng)光,在射向空氣的過(guò)程中,由于空氣疏密發(fā)生變化而折射,逐漸向地面彎曲,進(jìn)入觀察者眼中,于是就看到了地平線以外的景物(圖1)。

        (2)日出 當(dāng)我們看到正從地平線上冉冉升起的一輪旭日時(shí)。太陽(yáng)的實(shí)際位置還處于地平線以下,這是光在大氣層中折射的緣故,人們看到的只是太陽(yáng)的像,因?yàn)榈厍蛑車(chē)拇髿馐遣痪鶆虻?,離地面越高,空氣越稀薄。從大氣層外射到地面的光線就會(huì)發(fā)生折射而彎曲,使得光線前進(jìn)的總效果呈彎曲狀,又由于人們?nèi)粘I畹慕?jīng)驗(yàn)總認(rèn)為光線是沿直線傳播的,因而,人眼總是逆著光線方向去尋找發(fā)光的物體,所以人們認(rèn)為:日出時(shí)太陽(yáng)恰好處于地平線上。

        2 生活中的折射現(xiàn)象

        “潭清疑水淺”游泳前,你站在岸上估計(jì)水深;進(jìn)入游泳池內(nèi),你會(huì)感到水的實(shí)際深度要比估計(jì)的深(圖2)。

        光從水或玻璃射入空氣時(shí)發(fā)生折射的現(xiàn)象還有很多,例如:插入水中的筷子會(huì)變彎折(圖3);有經(jīng)驗(yàn)的漁夫在用叉刺魚(yú)時(shí),往往要把叉對(duì)準(zhǔn)所看到的魚(yú)的下方偏低一些的位置投叉(圖4),這也是因?yàn)楣鈴乃行鄙淙雸?chǎng)券空氣,折射光線偏離法線,從水面上看水中的魚(yú),看到的魚(yú)的位置比魚(yú)的實(shí)際位置靠近水面的緣故。

        二、光的折射規(guī)律

        人類(lèi)對(duì)光的折射現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)期研究,總結(jié)出光發(fā)生折射時(shí)遵循的基本規(guī)律:

        (1)光折射時(shí),折射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi):折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)。

        (2)光從空氣斜射入水等其他介質(zhì)時(shí),折射角小于入射角;光從水等其他介質(zhì)斜射入空氣時(shí),折射角大于入射角。

        對(duì)上述規(guī)律有幾點(diǎn)注意:

        (1)入射角是入射光線與法線的夾角,不是和界面的夾角,同樣,折射角是折射光線與法線的夾角,也不是和界面的夾角。

        (2)光線射向兩種介質(zhì)分界面時(shí),將同時(shí)發(fā)生光的反射和折射,反射光線遵循光的反射規(guī)律,折射光線遵循光的折射規(guī)律,

        (3)光垂直射向兩種介質(zhì)界面時(shí),通過(guò)分界面后光的傳播方向不變,這時(shí)光線的入射角、反射角、折射角均為零度。

        (4)光從空氣射入介質(zhì)時(shí),如果增大或縮小入射角,折射角就隨著增大或減小,光從介質(zhì)射入空氣時(shí),如果增大或減小入射角,折射角也隨著增大或減?。坏绻龃蟮侥骋唤嵌葧r(shí),入射光線會(huì)發(fā)生全部反射現(xiàn)象,這時(shí)沒(méi)有折射光線。

        (5)折射現(xiàn)象的光路是可逆的。

        三、光的折射作圖

        方法:抓住光的折射規(guī)律:光從空氣中斜射入水等其他介質(zhì)時(shí),折射光線與入射光線分居在法線的兩側(cè)。折射角小于入射角(圖6);光從水等其他介質(zhì)中斜射入空氣時(shí),折射光線與入射光線分居在法線的兩側(cè),折射角大于入射角(圖7);當(dāng)光垂直入射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí),折射光線不改變方向(圖8),在此基礎(chǔ)上結(jié)合幾何知識(shí)就可以正確地作出相應(yīng)的折射光線。

        四、典型例題

        例1 如圖9所示。MN是空氣和玻璃的分界面,一束光線射到MN面D處時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象,則入射角、折射角各是多少?MN的右方是什么物質(zhì)?

        解析 過(guò)O點(diǎn)作MN的垂線EF即法線,根據(jù)光的反射規(guī)律可知:AO、OB和OC分別是入射光線、反射光線和折射光線,則入射角∠AOE=60°,折射角∠COF=30°,因?yàn)檎凵浣切∮谌肷浣?,所以光是從空氣斜射入玻璃,故MN的右側(cè)是空氣。

        例2在一個(gè)干枯的井底正中央P點(diǎn)趴著一只青蛙,它能看到的視野范圍如圖lOa所示,天降大雨時(shí)井中全部灌滿水,若青蛙仍在P點(diǎn),它的視野將發(fā)生變化,請(qǐng)?jiān)趫DlOb中利用光路圖確定青蛙視野變化后的大致范圍。

        解析 井里沒(méi)有水時(shí)光沿直線傳播,視野范圍如圖a所示;當(dāng)井里灌滿水時(shí)。光在水面發(fā)生折射后再進(jìn)入青蛙的眼睛,視野范圍如圖c所示。

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