1.光的折射原理和偏折规则 光只有斜射到界面时方向才会发生偏折,垂直入射时进入另一种介质光线方向不变.偏折规律:从真空(空气)进入其他介质光线向法线靠拢,反之远离法线.
2.分清主次
光反射时,不一定同时伴随折射;光折射时,必定同时有反射现象伴随产生.在研究一次折射时,我们往往既要研究折射,同时也研究反射;在研究二次折射时,我们要研究的现象是光进出介质以及在介质中的传播情况,因此折射是主要的,反射是次要的.所以一般研究光通过多个界面时,只研究折射,忽略反射现象(有特殊要求的除外).
下面我们就以三棱镜、玻璃砖为例尝试解释光的二次折射现象.
三棱镜实验
在“光的色散”实验(如图1)中,我们一方面观察到太阳光经过三棱镜会色散成七色光,另一方面也观察到光经过三棱镜后不再沿原来方向传播,而是会向三棱镜底面偏折.这其实就是一种二次折射现象.为什么总是向底面偏折呢?下面我们用单色光(如图2中亮线)进行研究说明.
三棱镜光路其实就是光从空气进入玻璃再进入空气的过程,根据以上所述的偏折规律可知,光斜射进入三棱镜后向法线靠拢,出射时又远离法线.要准确理解现象,关键就在法线的正确理解认识上.不少同学出于习惯,往往不经思考,经验认为过入射点画一水平或竖直直线即为法线,这种认识或做法是错误的.法线不一定都是处于水平或竖直状态,法线应该是过入射点垂直于界面的直线,作图时用虚线表示.如图3可以清晰看出光入射到三棱镜侧棱上,出射光线向底面偏折.
玻璃砖实验
(1)界面平行玻璃砖
如图4为平行玻璃砖实验照片.我们可以清晰地看到光路的传播情况和特点.同学们可以发现出射光线和入射光线不在同一直线上,发生了偏折,但相互平行,为什么呢?
根据偏折规律我们可以先粗略画出光路图(图5),但结合数学知识,稍加分析光学元件特点,可以发现EF∥MN,两法线分别垂直于界面,所以γ1=α2.在光的反射定律实验中,我们就知道光路是可逆的,即光从空气到玻璃,入射角为α1,折射角为γ1;若逆向传播,光从玻璃到空气,若入射角为γ1,折射角则为α1.所以γ2=α1,所以入射、出射光线相互平行.
(2)半圆形玻璃砖
图6为光从半圆形玻璃砖圆心O斜射照片.光通过半圆形玻璃砖有两个界面,一个为平面(直线),一个为球形(半圆形)界面,我们要充分认识到界面不一定是直线,如果界面是曲线(曲面),可以入射点所在曲线(曲面)的切线(切面)为界面.这样就能很好解释照片所述现象了:进入玻璃砖的光线到达圆形界面,MN为新入射点P所在圆切线,新法线既为半圆半径PO所在直线与进入半圆形玻璃砖内光线重合,出射光线不改变原来OP传播方向直接射出.
同学们一定要注意此时入射光特点:入射光是射到半圆形玻璃砖底面圆心上的;根据光路可逆原理可知,若光从球面入射,入射光对准半圆形玻璃砖圆心,光路与图7一样,改变光的传播方向(图8).
进一步分析图8,无论怎样改变AP入射方向,只要保证AP延长线过O,即对准圆心,PO与AP都始终在同一直线上;增大入射角,∠POm随之增大,根据折射定律,∠nOB也随之增大.同样根据折射定律,光从玻璃斜射到空气,∠POm始终应小于∠nOB,当∠nOB增大到90°,不能再增加,此时折射光线将消失,所有光线在底面发生反射,这种现象称之为“光的全反射”(如图9照片).(同学们可以思考一下要发生全反射现象,光必须从哪种介质斜射向哪种介质?)
综上所述,二次折射现象其实还是普通折射现象的延伸,要正确理解二次折射现象,首先要正确理解法线概念和基本折射规律,在此基础上再熟练运用光路可逆原理和数学规律.同时在作光路图时注意虚实,做到细心、周到.