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為什麼光通過不同的介質會有折射
為什麼光通過不同的介質會有折射
更新时间:2024-10-01 00:14:03

在文章《光進入介質後為何會減速》中,我們使用光波的概念進行了解釋。許多網友還有個疑問:用光波概念如何解釋光進入介質時的彎折?為了文章的完整性,我們還是從基礎講起。

一束光照射到玻璃,在撞擊到玻璃表面時會改變方向,且其變化量取決于光的入射角度。改變入射角,相應的折射角也會改變,這些角度的關系通過一個名為斯涅爾定律的物理公式相關聯。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)1

惠更斯原理

我們知道,當波遇到一個小縫隙時,波會穿過縫隙并擴散開來。這個原理被稱為衍射,它對所有波都是通用的。如果波撞擊多個縫隙,每個縫隙都會讓波通過并繼續擴散。來自每個縫隙的波可以互相幹涉,這些波要麼相加要麼相減。在下面這張圖片當中,線條顯示了波峰的位置。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)2

惠更斯聲稱沒有必要存在縫隙,波上的每一個點都表現得像是穿過了一個真正的縫隙,并且正在向外擴散,疊加形成新的波前。現在我們可以采用這種方法,讓波在一種介質中移動到另一種介質。所以,我們讓光在空氣中傳播,然後通過玻璃。下面這張圖是波峰在不同時間撞擊玻璃,然後波擴散開來并相互幹涉。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)3

請注意,玻璃中的波長較短了,因為光波在玻璃中移動的速度更慢。我們可以看到,在玻璃中,這些擴散的波疊加成了一個新的波前。我們可以多疊加幾條線來顯示波的傳播方向,然後去除圓形波,就可以看到光從空氣到玻璃時的彎折現象了。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)4

事實上,雖然惠更斯原理可以解釋光的彎折,但它所預測的角度并不是唯一的,這是它的一個大問題。

麥克斯韋方程組

事實上,要真正回答為什麼光從空氣到玻璃會彎折這個問題,更好的方法是認真對待光的本質,并接受它是由振蕩電磁場構成的事實,這意味着我們需要使用麥克斯韋方程組。因為這不是一篇嚴謹的物理課文,所以我們隻關注電場部分。也就是說,我們隻需要底部兩個方程。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)5

光從空氣以一定的角度射入玻璃中。事實證明,光的電場垂直于光的傳播方向,我們可以把它分解成平行和垂直于玻璃表面的兩個分量。因為表面是空氣和玻璃所共有的,這意味着在空氣中的方程和在玻璃中的方程必須相等。而且,使用一點微積分知識,我們還可以找到兩個重要的限制:平行于表面的電場在空氣和玻璃中必須相同,而垂直于表面的電場乘以材料的ε也必須相同。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)6

因為玻璃中的ε比空氣還大,所以玻璃中的垂直電場就更小。前面講過,光傳播的方向垂直于電場,因此我們可以畫出光在玻璃中的傳播方向。最後,我們可以看到,光從空氣進入玻璃後會發生彎折的現象。

為什麼光通過不同的介質會有折射(光進入不同介質為什麼會發生折射)7

其他解釋

關于光的折射解釋,還有一個比較常見的說法是費馬原理:光遵循最短時間原理。光在空氣中傳播的速度比在玻璃中快,因此為了在空氣和玻璃的兩點之中傳播時間最短,光必須彎折。教科書上經常會用水上救生員的救援路徑進行比喻。

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