问题导入

在花鸟鱼市场，陈列着一排排漂亮的鱼缸，金鱼在水中悠闲地游来游去。从鱼缸侧面斜向上观察，你会看到在水的内表面上，呈现出金鱼清晰的倒影，与水中的鱼儿相映成趣，如图7-1-1所示。你知道这是为什么吗？

图7-1-1　鱼在水的内表面形成的倒影

1．光的折射

我们知道，光在同一种均匀介质中是沿直线传播的；光在不同的介质中传播速度是不同的。当光从一种介质入射到另一种介质时（如从空气进入水中），在两种介质的接触面上，一部分光将遵循光的反射定律被反射回入射光线所在的介质；一部分光则会进入另外一种介质，但其传播方向一般会发生改变，这种现象称为光的折射现象。在图7-1-2中，入射光线与法线的夹角叫作入射角，折射光线与法线的夹角叫作折射角。

图7-1-2　光的反射和折射

实验表明，光的折射光线、入射光线与法线位于同一平面内，折射光线与入射光线分居在法线两侧，对于任意给定的两种介质，入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数，即

这就是光的折射定律。对于不同的介质，式中常数n的大小是不同的。例如，光从空气射入水中时，n为1.33；光从空气射入普通玻璃时，n为1.5。因此，这个常数n与两种介质的光学特性有关。当光从真空入射到某种介质发生折射时，入射角i的正弦与折射角r的正弦的比值n，叫作这种介质的折射率。

我们知道：光在不同介质中传播的速度不同。理论研究证明：某种介质的折射率，等于光在真空中的速度c与光在这种介质中的速度的比值，即

光在真空中的速度c大于光在任何介质中的速度，从上式可以看出，任何介质的折射率都大于1。表7-1-1列出了几种介质的折射率。

表7-1-1　几种常见介质的折射率

STS

折射率是衡量眼镜片品质的重要参数。一般来说，在屈光度一定的情况下，折射率越大，镜片越薄，品质越好。对于度数较高的配镜者，应该使用折射率较大的镜片。眼镜片的材料一般有玻璃和树脂两种。玻璃镜片耐磨，但比较重且易破碎；树脂镜片较轻且不易破碎，方便加工。普通玻璃镜片的折射率为1.52，高折射率镜片为1.70，还有超高折射率（可达2.0）的玻璃镜片。普通树脂镜片的折射率为1.50，还有折射率达1.74和1.80的超薄树脂镜片。通常，镜片的折射率越高，价格也比较高。

2.光的全反射

不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质叫作光疏介质，折射率较大的介质叫作光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。例如，水对于空气来说是光密介质，但对于玻璃来说是光疏介质。

根据折射定律，当光从光疏介质入射到光密介质时，折射角小于入射角。由于光路是可逆的，当光从光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角。由此可以预测，入射角大到一定程度，折射角会增大到90°。如果入射角继续增大，会出现什么情况呢？

演示实验

如图7-1-3所示，在光屏上放置一块半圆形玻璃砖，让一束激光从半圆形玻璃砖的弧面沿半径方向射到平直面上，观察反射光线和折射光线；逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线有什么变化？

图7-1-3　光以不同的入射角射入半圆形玻璃砖

由实验可知，当光沿着半圆形玻璃砖的半径入射到平直面上时，一部分光线发生了反射，回到了玻璃砖，一部分光线发生了折射，进入空气；当入射角逐渐增大时，折射光线离法线越来越远，而且越来越暗，反射光线越来越亮；当入射角增大到一定的角度时，折射光线完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射。

我们把折射角等于90°时的入射角称为临界角。

由此我们可以得出，发生全反射有两个条件：光从光密介质射入光疏介质；入射角大于临界角。

由介质的折射率，根据折射定律可以求出光从这种介质射入空气时的临界角。例如，相对于空气，水的临界角约为48.8°，各种玻璃的临界角为32°～42°，金刚石的临界角约为24.5°。

做一做

如图7-1-4所示，在一间暗室里准备一个玻璃鱼缸，里面装适量水，再加入少量淀粉，以便于观察。在墙壁上铺上黑色衣服作为背景，用激光笔从鱼缸侧面斜向上射到水面的内表面。调整入射角度，你会发现，当入射角超过某个角度时，光就不再从水面射到空气，而是完全返回水中。

图7-1-4　鱼缸中的全反射(www.daowen.com)

全反射现象在自然界很常见。清晨我们看见树叶上的露珠晶莹剔透，就是因为光在水珠内发生了全反射。水中的气泡特别明亮，美丽的宝石光彩夺目，也是因为全反射的作用。在图7-1-1中，从鱼缸侧面斜向上方观察看到的奇妙现象，也是因为光从水中射入空气时在界面处发生了全反射，使得水的内表面看起来像一面镜子，将水中的景物倒映在界面处。

想想议议

在炎炎烈日下，沿着柏油马路远望，常会发现远处路面湿漉漉的，倒映着行驶车辆、路牌的影子，但靠近后却发现那里根本不存在积水。你能解释这是为什么吗？

3.光导纤维

如图7-1-5所示，在装满水的木桶侧面上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮，当水从小孔里流出时，人们惊奇地发现光竟然也从水桶的小孔里射出来，并随着弯曲的水流前进。

图7-1-5　丁达尔的小实验

这种现象用全反射原理很容易解释：光散射到水中，其中部分光以一定的角度入射到小孔处流出的水柱内表面，水相对于空气是光密介质，当入射角大于临界角时，光就会发生全反射现象。表面上看，光好像沿着曲线前进，实际上光是在水路里面发生了多次全反射。

光导纤维正是根据光能沿弯曲的水流前进的现象研制而成的。光导纤维简称光纤。光纤非常细，直径只有几微米到100微米左右，由内芯和包层两层玻璃构成。内芯的折射率比包层的大，所以对内芯而言包层是光疏介质。因此，光在内芯中传播时，会在界面处发生全反射。实际的光纤在包层外面还有一层缓冲套层。

图7-1-6　光在光纤中传播的示意图

图7-1-7　光导纤维示意图

光导纤维在医学上有重要应用。光纤传导光的能力非常强，利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等处的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，能够输送光线、传导图像，又具有柔软、灵活、可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传送出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。

图7-1-8　内窥镜构造示意图

图7-1-9　医生用胃镜为患者做检查

内窥镜在工业领域也有广泛的应用。工业内窥镜可用于高温、有毒、核辐射及人眼无法直接观察到的场所，主要用于汽车检修、管道化工、安防监控等，可在不需拆卸或设备停止运行的情况下实现无损检测。另外，工业内窥镜还可与照相机、摄像机或电子计算机连接，组成照相、摄像和图像处理系统，从而进行视场目标的监视、记录、储存和图像分析，为信息的诊断和处理提供很好的保证。

图7-1-10　两种汽车内窥镜

汽车内窥镜可用于检查发动机缸体、气门、活塞顶、喷油嘴、三元催化器、蒸发箱、管路及车体缝隙等区域，通过可视化的检测可以真实反映出汽车的运行状态，排查其他故障

光导纤维在通信领域用途广泛。利用光纤制成光缆，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。相较于普通线缆，光缆传输的频带更宽，通信容量更大。例如，一条光缆通路同时可容纳10亿人通话，而普通线缆仅可容纳几千人通话。此外，光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通信质量高，还能防窃听。光纤通信损耗低，每千米信号损耗仅为普通线缆信号损耗的亿分之一，可以把信号传输得更远。光缆质量轻而线径细，不怕腐蚀，铺设很方便。目前许多国家已使用光缆作为长途通信干线。

图7-1-11　通信光缆

光导纤维在国防和自动控制等领域也得到日益广泛的应用。利用光纤制成光学显微镜，装在潜水艇、坦克和飞机上，可以侦查复杂的环境。光纤还可以用于机器间的信号传送、光电开关等，从而完成自动化生产。

习　题

1.分析夏日路面假积水现象。

2.游客在沙漠中也会观察到海市蜃楼现象，请分析其成因。

3.下列哪种情况有可能发生光的全反射现象：光从空气入射到水面上；光从玻璃砖中入射进空气中？

4.主截面是等腰直角三角形的棱镜又叫全反射棱镜。请完成图7-1-12所示全反射棱镜的光路图，并解释原因。

图7-1-12　全反射棱镜