光现象——光的折射

折射硬币实验

看上图,这是一个碗,里面有一个硬币。当这个碗里没有水的时候,我们看不见这个硬币。但随着碗里的水越来越多,硬币逐渐浮现在我们的眼中了。Why,这是为什么呢?我们知道我们要看见一个东西,必须有光线射到我们的眼睛里,我们要看见这个硬币,也必须硬币上的光线射到眼睛里。那么为什么有了水以后我们就可以看见了呢?这是因为硬币上的光线从水中射到空气中时发生了偏折,进入了我们的眼睛?没错,这种现象就叫折射。我们上节课已经知道什么是反射,那么反射和折射有什么区别呢?折射是从a介质到b介质的过程中发生的反应,经过了两种介质,也就是说在界面的两侧;而反射呢,则是在界面的一侧回到介质自身。而今天呢我们主要会来一起探究一下什么是折射。

好了,我们发现了,折射这种现象,那么关于折射这个现象,你可以提出哪些问题呢?反正我是有很多问题的:光从空气到水中是否一定会有偏折?为什么光从空气射到水中,经过折射,我们就能看见“原本看不到的东西”?光的折射现象到底存在着哪种规律呢?

要研究光的折射现象的规律,我们先来对他做出一些猜想。首先我们来给有关折射的东西命个名。

折射图

看这张图片,这条横线的上面是空气(光疏介质),横线的下面是水(光密介质),上面那条线是入射光线,入射光线与法线的夹角是入射角,而下面的折射光线与法线形成的角是折射角。 是不是折射光线和入射光线存在着某种关系,是硬币的像“上升”了呢?但是我们如何才能探究呢?其实我们可以把入射光线和折射光线之间的关系转化成入射角和折射角之间的关系,用角的大小来描述入射光线与折射光线的关系。这样我们就可以更容易的研究出来,更容易的测量了。

好了,现在万事俱备,我们可以开始探究了。想要研究折射角与入射角的关系,是不是直接用眼睛看,用眼睛来测量就可以了呢?不,这样太不精确了。我们要用尺子或者量角器等等去精确的测量,并且我们需要测量多组数据,这样才能更好的证明我们的观点,更好的得出结论。

下面是我量的三组数据。一组数据:入射角为30度时,折射角为20度。第二组数据:入射角为60度的时候,折射角为40度。第三组数据:入射角为0的时候,折射角也是0度。这里我们只量了三组,但如果我们是真正的科学家的话,只用三组吗?当然不可能。真正的科学家要探索出一个新的规律时,至少要量几十次,甚至几百次,也许才够吧。

那么通过这三次的测量,我们可以得出什么呢?首先我们重新的确定了光的折射的定义,光的折射并不是简简单单的从一个介质入另一个介质就可以,而折射现象发生,必须是光从一个介质斜射入另一个介质时(也就是说零度不算,因为通过测量我们发现,如果入射角是0度,折射角便也是0度,也就产生不了折射现象)。另外,我们可以通过这三次测量,来总结一下光折射的规律,总结一下结论:1.当光从空气垂直射入水中,传播方向不变。2.光从空气斜射入水中,折射光线向法线方向偏折(也就是说折射角小于入射角)。3.当入射角增大时,折射角也会随着增大。

那么现在通过我们的实验和我们得出的结论,你知道为什么我们可以看见原本看不见的硬币了吗?是的,因为我们看到的硬币,是我们沿反向延长线找到的虚像。我们的眼睛默认光是沿直线传播的,因此我们就以为硬币真的浮现到我们眼中了。其实我们看到的像是一个虚像,并不是真实的硬币,我们看到的“硬币”是实际光线反向延长线聚成的像。

另外我再补充一点,关于光的反射,在不同介质中折射率是不同的。为什么这么说呢?其实发生折射的根本原因是因为两个介质的密度不一样,如果两个介质的密度一样了,就不会发生折射。就比如从空气到水中,空气的分子密度比水中的分子密度小,因此就会发生折射。而另外,如果我们比较一下从空气射入玻璃和空气射入水中两种情况,就会发现他们之间的折射率不同,就是因为玻璃和水的密度不一样,因此折射率就不一样。那么关于折射率有什么规律吗?其实也许你早就发现了:当光由光疏介质斜射入光密介质时,折射角小于入射角(如从空气射入水中);刚光由光密介质斜射入光梳介质时,折射角小于入射角(如从水中射入空气)


好了,现在我们已经探索出了光折射的规律,那么这些规律是用来干什么的呢?我们可以把他们放到实际生活中来,解释生活中的现象。

现象一:为什么注满水的水池,水池看起来变浅了?就是因为光的折射,光线在空气和水中折射率不同的缘故,使我们看池底变浅了,其实就像硬币的那件事一样。

现象二:叉鱼时应该往哪儿插?应该往下插一些。因为我们眼睛看到的鱼会比正常的高一些(如下图。),我们的眼睛是沿着反向延长线找到的像,是虚像,所以我们需要往下插一点儿才能插到真正的鱼。

叉鱼图

现象三:日出日落时前后半个小时一般看到的太阳是真实的吗?其实并不是,那只是真实的太阳的虚像。可能那个时候手机上显示的太阳是已经在地平线以下了,但是由于折射,我们却还是可看见太阳在地平线上面似的。不过其实如果按照这样说,我们永远看到的太阳都是虚像,因为大气层有气压的差异,所以我们看到的太阳一直是在几分钟前或者说几秒钟的太阳。

关于太阳……

现象四:如图,一束光射入杯中,在杯底形成光斑。逐渐往中加水,观察光斑将如何移动?当水增多时,液面升高,而这时入射角和折射角都不变。因此光斑会向右移动。

粗略的手画了一张“光路图”

好了,由于时间关系,我粗略的将上面的问题解释了一下。现在对于光的折射你是否有更清楚一些呢?关于光的折射,他是否扩充了你的思维?他是否改变了你的世界观?科学的力量是很强大的,他将人类的视线变得更大,它会照亮更多的未知和黑暗——是的,这就是科学。

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