A-level 物理 (高等物理) / 折射

反射

反射角和入射角

反射是指光线在遇到不同于它传播介质的物质时“反弹”的现象。您可能还记得在 GCSE（或同等水平）中学过，我们可以通过一条称为“法线”的线来计算光线的传播方向。法线垂直于两种物质的边界，在光线反射的点上。法线与光线之间的角度称为反射角（r）。光线将以与它到达法线时相同的角度反射回来，但在法线的另一侧。

折射

折射是指光线在穿越两种物质的边界时改变速度的现象。这会导致它改变方向。法线与折射光线之间的角度称为折射角（r）。

折射率

折射率是衡量光线在物质与“参考物质”的边界上折射程度的指标。这种参考物质通常是空气或真空。它由以下公式给出

$n={\frac {c_{0}}{c_{1}}}$

其中 c₀ 是光在真空中的速度 (3 x 10⁸ m/s)，c₁ 是光在物质中的速度。

斯涅尔定律

我们可以使用以下公式将折射率与入射角 (i) 和折射角 (r) 联系起来，该公式被称为斯涅尔定律

$n={\frac {\sin {i}}{\sin {r}}}={\frac {c_{0}}{c_{1}}}$

全反射

通常，当光线穿过不透明的物质时，它会发生反射和折射。然而，有时光线会发生全反射；换句话说，它们不会发生折射，因此不会有光线穿过物质。这在光纤中很有用，光纤可以使信号以光速传输很远的距离，因为光线会发生全反射。

临界角

临界角是光线发生全反射的给定物质的最小入射角。在临界角（C）时，折射角为 90°，因为任何更小的入射角都会导致折射。因此

$n={\frac {\sin {90}}{\sin {r}}}$

由于 sin 90° = 1

$n={\frac {1}{\sin {r}}}$

$\sin {r}={\frac {1}{n}}=\sin {C}$

换句话说，在折射率为 n 的物质中，光线将在大于折射率倒数的反正弦的角度上发生全反射。

问题

1. 一束光线从一面镜子反射。它到达镜子时的法线角为 70°。它的反射角是多少？

2. 光线在金刚石中的速度为 1.24 x 10⁸ m/s。它的折射率是多少？

3. 冰的折射率为 1.31。光线在冰中的速度是多少？

4. 一束光线穿过空气和透明物质之间的边界。折射角为 20°，入射角为 10°。这种物质中的光速是多少？为什么这种物质不可能存在？

5. 离开折射率为 2 的透明物质的光束的临界角是多少？

解答

另请参阅

• 光学/折射