第 12 章　光的折射及其应用

§12.1光的折射§12.2全反射§12.3透镜成像一、折射定律一般来说，光从介质1射到它与介质2的分界面时，一部分光会返回介质1，这种现象叫作光的反射；另一部分光则会进入介质2，这种现象叫作光的折射。§12.1光的折射当发生反射现象时，反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角。这就是光的反射定律。入射光线与法线间的夹角θ1叫作入射角，折射光线与法线间的夹角θ2叫作折射角。折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧，入射角的正弦与折射角的正弦成正比。这就是折射定律。用公式表示为式中，n12为比例常数，它的大小与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关。二、折射率当光线从真空射入某种介质时（设入射角为θ1，折射角为θ2），这种介质的性质直接决定了比例常数n12的大小，此时可以把n12简单地记为n，叫作这种介质的折射率，式（1）则变为对于不同的介质，折射率n是不同的。几种介质的折射率§12.2全反射一、全反射与临界角不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，把折射率较大的介质称为光密介质。光疏介质与光密介质是相对的，例如水、水晶和金刚石三种物质相比较，水晶相对于水来说是光密介质，相对于金刚石来说则是光疏介质。光由光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。当光线从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。当入射角大于某一角度时，折射光线完全消失，只有反射光线，这一现象叫作全反射。光线刚好发生全反射，即折射角等于90°时对应的入射角叫作临界角。光从某介质射入空气时，发生全反射的临界角C与该介质折射率n的关系是二、全反射的实际应用全反射棱镜如图所示，棱镜的横截面是等腰直角三角形。当光线垂直射入玻璃时，在玻璃与空气的某些交界面上发生的全反射，改变了光的传播方向。与平面镜相比，棱镜的反射率高，几乎可达100%，且反射面无须涂敷任何反光物质，所以反射失真小。这种棱镜在照相机、望远镜、显微镜等光学仪器中获得了广泛的应用。光导纤维我们常常听说的“光纤通信”就是利用了全反射的原理。这里所说的光纤，就是光导纤维的简称。实际应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到100微米，主要由纤芯、包层和涂覆层组成。光纤导光的原理是：光在光纤中传播时，通过纤芯、包层界面发生的光的全反射，使得光在光纤内沿着锯齿形路线传播。当载有信息的激光从光纤的一端输入后，通过光纤，可以将这些信息传至遥远的另一端，从而实现光纤通信。§12.3透镜成像一、透镜中央厚、边缘薄，我们把它们称为凸透镜，中央薄、边缘厚，我们把它们称为凹透镜。凸透镜对光线起会聚作用，因此我们把凸透镜叫作会聚透镜；而凹透镜对光线起发散作用，因此我们把凹透镜叫作发散透镜。二、光轴光心焦点焦距我们把通过透镜两球面球心C1、C2的直线叫作透镜的主光轴，把主光轴与透镜的交点（透镜的中心）叫作光心。如图所示，平行于主光轴的光线，经凸透镜后会聚于主光轴上的一点，这个点叫作焦点，用F表示。因为这是光线实际会聚的点，一般称之为实焦点。如图所示，平行于主光轴的光线，经凹透镜后被发散，发散光线的反向延长线也交于主光轴上的一点，这个点也是焦点。因为它不是光线实际会聚的点，一般称之为虚焦点。透镜焦点与光心之间的距离叫作焦距，用f表示。三、透镜成像作图法一个发光点向透镜发出无数条光线，经过透镜后的会聚点就是发光点的像。用几何法作图求发光点的像，一般可利用下面三条特殊光线。（1）经过光心的光线，通过透镜后不改变方向。（2）平行于主光轴的光线，通过透镜折射后经过焦点。（3）经过焦点的光线，通过凸透镜折射后平行于主光轴。一般情况下，只要找出物体上下两个端点的像，就可以确定整个物体的像，因为物体上其他各点的像都在这两个像点之间。我们把物体到光心的距离叫作物距，用u表示。把像到光心的距离叫作像距，用v表示。物体在不同位置时，经凸透镜所成像的大小、性质是不同的。如图所示为物体位于不同区域时凸透镜所成像的情况。由作图可知凸透镜成像的特点：实像总是与物体分居于透镜的两侧，且是倒立的；虚像总是与物体位于透镜的同侧，且是正立的。用于凸透镜成像作图的三条特殊光线，同样也适用于凹透镜成像。不论物体AB放在凹透镜的焦点以内还是焦