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《光的折射定律的发现与理论推导-王立英》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、o,Vl15Nol第15卷第1期聊城师院学报(自然科学版).rs..ar20023JounalofLiaoehengTeaehersUniverity(NatSe又)M2002年月光的折射定律的发现与理论推导王立英王文军张一清,(聊城大学物理系山东聊城252059),摘要回顾了光的折射定律的发现过程并分别从光的波动说及光子理论等方面对光的折射定律进行.了理论推导,,关键词折射定律发现理论推导中图分类号0435.1文献标识码A文章编号1007一8304(2002)01一0098一03光的折射定律是光线传播的基本定律之一它的建立不仅在理论上奠定了光线光学一几何光学的基础,
2、而且打开了应用光学的大门,即为光学共轴球面系统的物象关系的计算提供了可能.我们在初中时就,,已学过折射定律但对于它的历史发现过程及其理论推导直到大学也很少提到虽然有的教科书中也有所提及,但都不太系统,使我们在学习这一部分时常感到不足.因此,本文针对这一不足,对光的折射定律的发现和理论推导做一个较为详细的论述.1光的折射定律的发现,,.,光的折射现象发现得很早折射定律几经沧桑经过漫长的岁月才得以确立早在公元2世纪希腊天.,.,CReno15,文学家托勒密(oly7~47年)曾专门做过光的折射实验他写有《光学》卷可惜原著早已失传,.在:,从残留下来的资料可知那部书中记有折
3、射实验和他得到的结果折射角与入射角成正比但是后来大,.约1。世纪被阿拉伯学者阿尔哈金(Alhaz。n965~1038年)发现其结论与事实不符,,.171611epler,1571~1630[‘〕,到世纪即年法国天文学家开普勒(JK年)在系统研究的基础上写了《折光学》一书,书中记载了他做的有关光的折射的两个实验.其中的一个实验是用一圆柱形玻璃块(图,,,,1)令太阳光垂直于圆柱长轴入射可以观测到通过圆柱长轴的光线S方向不变和圆柱边缘相切的光线.,0.,:S偏折最大开普勒发现最大的偏折角夕大约为42开普勒虽然没有找到正确的折射定律表达式但通过这些实验发现了全反射.图1开普
4、勒的圆柱玻瑞实验图2斯涅尔的折射实脸..Snel,1591~1626折射定律的正确表述是荷兰物理学家斯涅尔(W年)和法国物理学家笛卡尔(R,.,1596一16501621,Descartes年)分别发现的年斯涅尔运用与开普勒基本相同的实验方法进行实验结:一一收稿日期20011112第1期:王立英等光的折射定律的与理论推导,,,,eoseosaeosaeos,果发现比值05/05(图2)恒为常数由此导出05/50一(八O/夕)/(八O/)=/口=常数斯涅尔在世时并有发现这一结果.1626年,他的遗稿被他的学生惠更斯读到后才正式发表.笛卡尔不久也,,,独立推导出了同一结果
5、但笛卡尔在推导过程中采用的是微粒说带有很大的局限性最终得出了错误的结论.:,,,笛卡尔认为把光看作由无数小球组成它可充塞其他一切物体的毛孔为了解释光的折射定律他假定光微粒从一种介质一空气,进入另一种介质一水时,其速度的切向分量保持不变,而法向分量变大.如图.‘‘,,。,,‘,:‘,,3:vl=vZvlvZ:sinil=vl‘vlSiniZ=vZv:vlvZSnil。ini:vZvl所示有<进而得出//由于=则i/=/对于给定的两个介质而言,速度比为一常数,所.以上式表示折射定律火火图3笛卡尔利用做粒说推导折射定律图4惠更斯推导折射定律图5光子理论推导折射定律,slS
6、;:nZ;,nZ:vZ1,,,但是把上式与现在的折射定律ini/in一/n比较可得/n一/v因此按照微粒说两种介,,质的折射率与光在其中传播的速度成正比即光在光密介质中的速度大于在光疏介质中的速度这显然是错误的,,,,1661年费马(PicerFermat1601一1665)把数学家赫里贡的数学方法用于折射问题推出了折射定律,得到了正确的结论.到此折射定律才真正得以确立.2光的折射定律的理论推导2.1用惠更斯的波动说推导折射定律川,,惠更斯原理在波行进的波面上任何一点都可看作产生次级球面子波的点波源经过时间△t后这些次级子波的包络面,即波面的新位置.下面根据惠更斯原理
7、,由作图法导出折射定律.v;,vZ,,:设光在第一种介质中的速度为在第二种介质中的速度为作图法大体分为四步如图4所示第一步,画出入射光的波面.图中的AB为入射波面,设在t:时刻A点到达界面,并设在t:时刻B点到达界,工,工.,.,面于是BC一vl△t一v(t一t)第二步画出次级球面子波的波面具体地说是要画出在B点到达界面,_,,:22AE一uZ△,vZ2,,的那个时刻时AB波面上各点到达界面后在介质中所发出的子波面于是有一(t一).,,.,222,、、二△,一(t一‘)第三步画出各子波波面的包络面即图中的云死第四步由入射点ADc一‘DF执一‘书一‘“
