光的折射与光轴：探索物理之谜

光的折射

给人以错觉的折射

光从一种透明均匀物质斜射到另一种透明物质中时，传播方向发生改变的现象叫做光的折射。折射规律为传播速度越快，偏角越大。入射光线、法线、折射光线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧，当光线垂直入射时，折射光线、法线和入射光线在同一直线上。

光的折射现象

当光线从光疏介质射入光密介质时，入射角增大，折射角也增大，入射角大于折射角；当光线从光密介质射入光疏价质时，则入射角小于折射角。光线垂直入射时，传播方向不变，但光速改变。在光的折射中，光路是可逆的。不同介质对光的折射能力是不同的。光在同一种物质(或均匀介质)中沿着直线传播。光在不同介质中传播的速度不同，在真空中传播速度最大。光从一种透明均匀物质斜射到另一种透明物质中时，折射的程度与后者的折射率有关。放射的光线与入射光线在镜面同一面，折射的在不同面波穿过不同的介质的时候传播方向会发生变化就是折射。光从空气斜射入水中或其他介质时，折射光线向法线方向偏折。鱼儿在清澈的水里面游动，可以看得很清楚。然而，沿着你看见鱼的方向去叉它，却叉不到。有经验的渔民都知道，只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到。鱼叉叉向的是鱼的实像。而若使用激光枪射鱼，要瞄准所看到的像，因为光线在水中也会发生折射。从空气中看水、玻璃等透明介质中的物体，会感到物体的位置比实际位置高一些，这是光的折射现象引起的。由于光的折射，池水看起来比实际的浅，所以，当你站在岸边，看见清澈见底，深不过齐腰的水时，千万不要贸然下去，以免因为对水深估计不足，惊慌失措，发生危险。

彩虹是阳光以一定的角度照射在水滴上发生折射和反射而形成的。雨后的天空中布满了小水滴，这是一种天然的三棱镜。阳光透过水滴时，由于折射和反射作用，被分解成七色光，只要太阳角度适当，就能看到美丽的弧形彩带。如果空气干燥，或者天空中只有微小的水滴，那就不会形成彩虹。一般来说，水滴越大，虹带越窄，色彩越鲜明；反之，水滴越小，虹带越宽，色彩就暗淡。有时，我们可以看到天空有两条彩虹：一条叫主虹，色彩鲜艳，里面是紫色，外面是红色；另一条叫副虹（又叫霓），里面是红色，外面是紫色，虹色较淡。这种现象是由于阳光透过水滴时，发生两次折射和反射的缘故。我们见到的彩虹都是弯曲的，而没有笔直的。就连峨眉山山顶的“佛光”也是圆形的，这是为什么呢？原因之一是光的波长决定光的弯曲程度，天空中所有的小水滴都排列在一个圆周上。圆周上的水滴与太阳、人眼的相对位置都相同时，从这些水滴里折射出的彩色光线，才能投射到人眼里。当这些水滴所产生的彩色光线合在一起时，人们才可以看到一条五彩缤纷的光带。原本光是笔直行进的，但它也具有一旦进入水中就会折射的性质。因此太阳光在通过雨的颗粒时就会折射。不同颜色的光，在水滴上折射的程度是各不相同的。光穿越水滴时弯曲的程度，视光的波长（即颜色）而定。红色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最少的是紫色光。每种颜色各有特定的弯曲角度，阳光中的红色光的折射角度是42°，蓝色光的折射角度只有40°，所以每种颜色在天空中出现的位置都不同。由于光折射的角度因颜色而各异，所以七种颜色会以各自不同的角度折射，从而很漂亮地排列起来。因为彩虹呈现与太阳方向相反的天空，所以想在雨后看彩虹时就要背对着太阳。原因之二是与地球的形状有很大的关系，由于地球表面是一个曲面并且被厚厚的大气所覆盖，雨后空气中的水含量比平时高，当阳光照射入空气中的小水滴时就形成了折射。同时由于地球表面的大气层为弧面，从而导致了阳光在表面折射形成了我们所见到的弧形彩虹。

光的折射现象(www.xing528.com)

在自然界中有许多晶体是存在双折射现象的，比如方解石、云母、冰等。就拿方解石为例，将方解石放在有一小黑点的纸面上，从上方透过方解石会看到有两个像点，它们视位均有所提高，而且提高程度不同。让方解石在纸面上转动，还可以看到一个像点绕另一个像点转动。这说明射到方解石上的一条光线会在其中产生两条折射线。像这样一束光进入晶体后产生两束折射光的现象称为双折射现象。此外在对各种入射方向进行研究时，发现方解石中存在一个特殊方向，当光沿该方向传播时不发生双折射，晶体内的这个特殊方向称为晶体的光轴。进一步对沿各种方向入射时的两束折射光进行研究后发现：在晶体内的两束折射光中，其中一束总是遵从折射定律，这束光称为寻常光，简称O光。另一束光在一般情况下，不但不与入射角在一个平面内，而且入射角和折射角的正弦之比也不是常数，它的折射角以及折射角所在平面与入射角所在平面之间的夹角，取决于入射光线的入射角和晶面的取向，这束光称为非常光，简称E光。E光在晶体内以不同方向传播时其速度也不同，沿光轴方向传播的E光和O光速度相等，均用Uo表示，在垂直于光轴的方向上E光速度用Ue表示，它与Uo只差最大，沿其他方向传播的E光速度介于Uo与Ue之间。在石英等晶体中Ue＜Uo，这类晶体为正晶体，在方解石等晶体中Ue＞Uo，这类晶体为负晶体。

彩虹

光导纤维的制造就是运用光的折射，光从折射率大的介质（芯线）射向折射率小的介质（包层）的界面时，光在界面处全部被反射回原介质（芯线）中。故光波束从弯曲的光导纤维一端进入芯线后，在芯线与包层的界面上做多次全反射而曲折前进。由于光折射率小的外包层使光线只能在芯线介质内传播，故无论光纤怎样弯曲，光线（或光波）总不会泄漏出去，就像水被限制在水管中流动而漏不出去那样。

光的折射与海市蜃楼

海市蜃楼经常发生在沿海，在沙漠偶尔也可见到。人们可以看到房屋、人、山、森林等景物，并且可以运动，栩栩如生。有人认为是人间仙境。现在，人们把海市蜃楼说成是大气折射的结果，把远处的景物折射到近处来了。海市蜃楼也经常发生在雨后，这时的空气湿度较大，也易形成透镜系统。当近地面的气温剧烈变化，会引起大气密度很大的差异，远方的景物，在光线传播时发生异常折射和全反射，从而造成蜃景。海市蜃楼是近地面层气温变化大，空气密度随高度强烈变化，光线在方向密度不同的气层中，经过折射进入观测者眼帘造成的结果。常分为上现、下现和侧现海市蜃楼。