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光的折射与全反射

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 08:48的版本 (补充物理主线:受力、运动、光磁热与衰变的推导和原创配图)
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一束光斜着从空气进入水,方向会改变,这叫折射。几何光学中,要先过入射点作界面的法线,入射角和折射角都从法线量起,不能从水面量起。若光在介质中的传播速度为 v,折射率定义为 n=c/v;界面两侧的折射率分别为 n1,n2 时,方向满足 n1sin⁡θ1=n2sin⁡θ2. 这里的 c 是真空光速;入射、折射和法线在同一平面。介质与光的颜色有关时,折射率也可能随波长变化,白光因此可发生色散。

从玻璃射向空气

以折射率 n1=1.50 的玻璃和 n2=1.00 的空气作估算。光在玻璃中的入射角为 30∘ 时,折射定律给 sin⁡θ2=1.501.00sin⁡30∘=0.75,θ2≈48.6∘. 折射角比入射角大,光线偏离法线。若让入射角继续增大,折射角最多达到 90∘;超过这一极限后,不再有穿过界面向外传播的折射光线。在理想、光滑且延伸足够远的界面上,几何光学把这称为全反射。

玻璃在下、空气在上;左图三十度入射光折向更远离法线的方向;右图五十度入射光在玻璃中反射,未画出向空气传播的折射光线
角度一律相对于法线;只有从高折射率介质射向低折射率介质才可能发生全反射。

临界角与光纤

令 θ2=90∘,得到临界角 θc=arcsin⁡(n2n1)(n1>n2). 上例 θc=arcsin⁡(2/3)≈41.8∘,故 50∘ 入射时达到全反射条件;从空气射向玻璃时 n1<n2,该临界角不存在。光纤让纤芯的折射率高于包层,使满足入射条件的光在界面上多次反射并沿纤芯传播。真实光纤还要计入弯曲、材料吸收和色散,不能把“全反射”误作传输绝无损耗。

在临界角恰好处,折射角是 90∘;严格说,大于临界角才没有向第二介质传播的折射光线。全反射边界附近仍可存在迅速衰减的倏逝场,因此这里的图只描述远离界面的传播光线。

参考资料