物理 · 初中 / 高中
光到了两种介质的界面,会向哪边偏折?
光线可以从空气射入水,也可以从水射入空气。把入射角固定在 45°,只交换上下两种介质,观察折射角怎样变化。两种结果的差别来自折射率的顺序。
两个角都从法线量起
重置实验,上方是空气,下方是水。虚线垂直于界面,叫作法线。两个角都以法线为起点。用模型的折射率 1.000 和 1.333 代入斯涅尔定律,得到 sin θ₂ = (1.000/1.333) sin 45°。折射角约为 32.04°,透射光线更靠近法线。
保持入射角为 45°,点击“交换介质”。公式里的比值变成 1.333/1.000,折射角增大到约 70.49°。试着把入射角调到 0°。两边的正弦值都为零,光线沿着法线继续传播。
找到全反射的临界角
保持上方是水、下方是空气,点击“设为临界角”。入射角约为 48.61°,透射方向与法线成 90°,沿着界面。把 sin 90° = 1 代入斯涅尔定律,可得 θc = arcsin(n₂/n₁)。这里要求 n₁ 大于 n₂。
把入射角调到 50°。这时公式要求 sin θ₂ 大于 1,没有实数角度能满足,因此图上只剩入射光线和反射光线。把角度调到 48.61° 以下,透射光线会回来。再次交换介质,观察空气射向水时为何没有这个临界角。
检查你的理解
把上方设为模型玻璃、下方设为空气。先预测入射角为 45° 时的光路,再求临界角核对。
查看解释
临界角为 arcsin(1.000/1.500),约 41.81°。45° 高于临界角,因此图中出现全反射。
模型说明
模型用一个平整界面和固定的近似折射率代表空气、水与模型玻璃。真实折射率可能随波长与材料变化。示意图比较方向,未计算光强、色散或偏振。操作实验需要家长高级包或教师权益,本文可公开阅读。