光的反射和折射发现镜子中的自己在《爱丽丝漫游仙境》中，可爱的爱丽丝通过一面镜子，走进了一个奇异的世界。现实中，我们不可能像爱丽丝那样钻进镜子里，去经历很多好玩的事情，但是我们每天也会在镜子前照照自己的模样。光的反射实验棱镜对光的折射光折射实验对于早在一千多年前，古人就利用光的折射现象，将冰块削成球面状，制成了凸透镜，用来聚焦太阳光以取火。......
2024-06-12
光的反射和折射：定律与现象 自然科学基础
【摘要】：光的反射定律如下：1.在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内；2.反射光线和入射光线分居法线两侧；3.反射角等于入射角。（二）光的折射和折射定律光从一种媒质斜射入另一种媒质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。光速在空气中和在真空中极为接近，可看成近似相等，其折射率近似等于1。
一般情况下，光在真空和在同一种均匀的媒质中是直线传播的。当光从一种媒质射入另一种媒质中，或者媒质本身不均匀的时候，光的传播情况就比较复杂了。假设光从空气射入水中，在空气和水的分界面上，光线将分成两部分，一部分返回原来的媒质（空气），另一部分折入另一媒质（水），前一种现象称为光的反射，后一种现象称为光的折射。
（一）光的反射和反射定律
光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫作光的反射。光在反射时，具有一定的规律（见图3-2-1）。光的反射定律如下：
1.在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内；
2.反射光线和入射光线分居法线两侧；
3.反射角等于入射角。
可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等。”
根据反射定律，如果光线逆着原来反射光线的方向入射到界面，它就要逆着原来入射光线的方向反射。所以，在反射时，光路是可逆的。
平行光线射到光滑表面上时，反射光线也是平行的，这种反射叫作镜面反射；平行光线射到凹凸不平的表面上时，反射光线射向各个方向，这种反射叫作漫反射。
（二）光的折射和折射定律
光从一种媒质斜射入另一种媒质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。光的折射与光的反射一样都是发生在两种媒质的交界处，只是反射光返回原媒质中，而折射光则进入到另一种媒质中，由于光在两种不同的媒质里传播速度不同，故在两种媒质的交界处传播方向发生变化，这就是光的折射。在两种媒质的交界处，既发生折射，也可发生反射。光在折射时，也有一定的规律（见图3-2-1）。光的折射定律如下：
1.光从空气斜射入水或其他媒质中时，折射光线与入射光线、法线在同一平面上，折射光线和入射光线分居法线两侧；
2.当光线垂直射向媒质表面时，传播方向不变，在折射中光路可逆；
3.入射角的正弦跟折射角的正弦的比值，对于给定的两种媒质是一个常数（这个常数称为光线由一种媒质射入第二种媒质时的折射率），它等于光在这两种媒质中的光速之比。
光在任何媒质里的传播速度都比在真空中的传播速度小，所以，任何媒质的折射率都大于1。光速在空气中和在真空中极为接近，可看成近似相等，其折射率近似等于1。
图3-2-1 光的反射与折射
（三）透镜成像
1.透镜
以两个球面（或其中一个是平面）为折射界面的透明体，叫作透镜。透镜分为凸透镜和凹透镜两类：凸透镜边缘薄，中央厚；凹透镜边缘厚，中央薄。这两种透镜除了中央以外，都可以看作是由许多棱镜组成的。由于这些棱镜的折射，一般而言，凸透镜能把平行的入射光会聚在透镜的另一侧，形成焦点；凹透镜能把入射的平行光线，在透镜的另一侧发散，反向延长后会聚在入射光线一侧，形成虚焦点。
如图3-2-2所示，通过透镜的两个球面中心的直线C1C2，称为透镜的主光轴或主轴；在主轴上有一点O，通过这个点的光线，射入透镜前和射出透镜后的方向不变，称为透镜的光心；平行于主轴的光线经过透镜后，其折射线或折射线的反向延长线跟主光轴相交的点F，叫作主焦点或焦点。
图3-2-2 透镜的主轴和焦点示意图
从光心到焦点的距离OF，称为透镜的焦距，用f表示。从图3-2-2可以看出，透镜的焦距越短，光线偏折得越厉害。因此，可以用焦距的倒数1/f来表示透镜的折光能力，1/f称为透镜的焦度，用D来表示，因此
D=1/f
取焦距等于1 m的透镜的焦度为焦度的单位，称为1屈光度。凸透镜的焦度是正的，凹透镜的焦度是负的。通常所使用的眼镜的度数，是用屈光度的100倍来表示的。例如：某一老花镜的焦距为0.4 m，它的焦度D=1/0.4=2.5屈光度，这眼镜就是250度；另一近视镜的焦距为-0.4 m，它的焦度D=-1/0.4=-2.5屈光度，就是-250度。
2.透镜成像
透镜成像可以用作图法求出。光源（或被照亮的物体）发出的无数条光线中，有三条特殊的光线，它们通过透镜后方向是完全确定的：
A.通过光心的光线，经透镜后方向不变；
B.跟主轴平行的光线，折射后通过焦点；
C.通过焦点的光线，折射后与主轴平行。
所以，经常利用这三条线中的任意两条作图，由其交点作出物体某光点的像。物体可以看作是点的集合。因此，用点的集合的方法就能得到整个物体的像（图3-2-3）。
从成像图可以看出：在凸透镜焦点以外的物体所成的像总是与该物体处于透镜异侧，呈倒立实像；在焦点以内的物体所成的像，总是与该物体处于透镜同侧，呈放大正立虚像；而凹透镜所成的像只能是与物体处于透镜同侧，呈缩小正立虚像。
图3-2-3 透镜成像示意图
（a）凸透镜 （b）凹透镜
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