反射和折射

Physics II
 

Overview

资料来源:德里克 · 威尔逊Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

光的传播速度不同,根据通过的它传播的材料。当光从一种材料到另一个时,它会减慢或加快。为了节省能量和动量、 光必须改变,它传播的方向。这光线弯曲的被称为折射。光的部分也反映在这两种材料之间的接口。在特殊情况下,一束光都能折射那么尖锐在一个接口,它实际上完全反映到它来自的中期。

镜片使利用折射原理。镜头来带有不同的曲率的两个品种: 凸透镜和凹透镜。凸透镜聚焦光往往用于,但也可以用于创建对象的放大的图像。当凸透镜使光线来自对象出现分歧,人眼法官光是来自一些点,光原产的实际对象后面的对象。在这种情况下,对象的图像会被放大。这种类型的图像被称为一个虚拟映像。凹透镜也会导致光线分化并创建虚拟映像,虽然将 demagnified 的图像。

这个实验室将展示折射的基本规律,并将检查在其中镜片创建图像的方式。

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JoVE Science Education Database. 物理学精要 II. 反射和折射. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

当光线照射两种材料之间的接口时,它是由一些取决于这两种材料组成的角度弯曲。在边界,在光传播更改,导致传播以及更改其方向的速度。每个媒介都有特点"折射指数的"定义为光在真空中的速度与光在介质中的速度的比例:

Equation 1

在这里n是无量纲的折射指数的c是光速在真空中米每秒 (m/s),和v是米每秒 (m/s) 在介质中的光速。在介质的高折射率和更快地与低折射率介质中,光的传播更慢。

对于一个给定的入射角,ө(角,光打这两种媒介之间的边界),给出了的角度,折射了这束光,өr,由折射定律更普遍称为斯奈尔定律:

Equation 2

在哪里 ө和 өr是以度为单位,和n1 与n2 是初始的和最终的材料,通过无量纲指标折射的光旅行。折射角指定的方向折射的光波出行第二种介质 (请参见图 1)。部分的入射光也反映回角等于入射角的第一媒介。

一个有趣的现象发生,当光从一种具有高折射率材料到一个以较低的指数。还有关键的入射角折射的角成为 90 °。如果光线照射在临界角边界、 折射的光束将沿着边界之间的媒体,和一些光会反射回高折射指数的材料 (见图 2)。如果光线照射角大于此临界角边界,它会完全反射回事件称为全内反射的高折射率材料。

Figure 1
图 1:在两个媒体结果中反射的光线与折射的光线之间的边界上的入射光线。

Figure 2
图 2:共有内部反射时 n2 > n1。蓝色光线入射临界角时,导致沿界面折射的光线和反射的光线。红色的光线是入射角大于临界角,并导致完全内部反射的光线。

镜片充分利用折射打造真正的和虚拟的物体的图像。真正的图像是由物理收敛性来自物体的光线形成图像。虚拟图像形成时的光线似乎收敛,但做不实际收敛。我们的眼睛构造发散射线起点和起源这一点作为虚拟映像源即使光线不实际上此时收敛。真实和虚拟图像形成的凸透镜的例子如图 3所示。镜片有称为"焦距",这是从镜头的距离特征长度的光线源自无限远将集中后穿过镜头。给出了透镜的焦距,对象和镜头之间的距离将确定薄透镜方程图像的位置:

Equation 3

其中f是米 (m) o在透镜的焦距是镜头和米 (m) 中的对象之间的距离,镜头和图像在米 (m) 之间的距离。如果对象距离采取积极的数量,然后,如果图像距离是积极的图像将是真实和将设在与对象的镜头。如果图像距离是消极的图像将虚拟、 放大,和位于透镜作为对象的同一侧。

Figure 3
图 3:凸透镜生产实际和虚拟映像。真实图像形式从真正的衔接的光线。虚拟图像是通过我们的眼睛从发散光线构成的。

Procedure

<>

1.确定使用斯奈尔定律 (折射定律) 的水的折射率和寻找全反射临界角。

  1. 获取与光源的专门的折射坦克。
  2. 折射把水槽装满水,打开光源。直接从光源束入罐装满了水的一半。它可能需要昏暗的房间里的灯。
  3. 使用上折射坦克量角器测量光束的入射角 (测量油箱装满了水,上半年的角度) 和上的折射角 (在充满空气的坦克半测量的角度) 的水箱中的水-空气界面。
  4. 用于空气测量的角度和折射率 (n空气= 1.00) 来计算水的折射指数。
  5. 对几个入射角从 0 °,只是重复前面的步骤在 90 ° 之下。
  6. 随着入射角的增加,人会注意到,折射的光束不再可见上半年的包含空气的容器。直到到达的点在这束光首先消失从空中慢慢旋转光源关于坦克。这是为内部全反射临界角。
  7. 如果进一步旋转光源,它应该被观察光束反射回的水。
  8. 移动光源,使梁进入坦克充满空气首先在旅行到水的一半。记录几个的入射角和折射在此条件下。请注意说,以前,入射角是光线穿过水的角度。因为光现在会通过空气首先,新的入射角是的角,它穿过空气,并新上的折射角是,它在水中传播的角度。
  9. 观察,在此配置中不发生全内反射。全内反射仅发生当光从一种媒介与高折射指数的走向低折射率介质。

2.测量透镜的焦距和创建真实和虚拟图像的对象。

  1. 获得凸透镜、 凹透镜、 张白纸、 一把尺子,一个小的独特对象。它还有助于有镜片和对象,以及装置持有人举行张纸垂直光学平台。
  2. 地方的凸透镜之间的对象和一张纸,都在一条线和在同一高度。
  3. 移动对象和纸周围直到清晰图像,该对象将出现在纸上。在纸上是真实的图像。
  4. 测量从镜头到对象的距离和从镜头到本文的距离。使用薄透镜方程来确定透镜的焦距。
  5. 把纸放在旁边和移动对象拉近镜头,直到镜头和对象之间的距离小于焦距的镜头。
  6. 期待通过镜头: 应该看到一个放大的版的对象。这是虚拟图像。
  7. 替换的凹透镜凸透镜。通过凹透镜看: 现在是可见的对象的 demagnified 的版本。这也是一个虚拟映像。

光反映和传播以不同的速度和方向,或折射,根据材料通过,它传播,导致很多有趣的光学现象。

当一束光打玻璃块的表面时,它的一部分改变方向界面将返回到介质源自;这是反射。其余的光线改变它的方向在界面并穿过块的玻璃,以节约能量和动量;这是折射。

镜片在光学系统像显微镜可以使中找到使用的反射和折射创建可以通过人眼感知的图像。

在这里,我们将首先讨论的原则和参数的反射和折射。然后我们将在一个系统的空气和水都是这两种媒体展示这些现象。接下来,我们将研究在其中镜片创建图像,其次是光学领域中的几个应用的方法。

要理解的原则和参数的反射和折射,让我们拿两个媒体-水和空气。

要注意的第一关键参数是"折射指数"、 n-特点通过光介质传播。它被定义为光在真空中,'c',在介质中,光速的速度比值 'v'。N的空气是比水低,光在水与空气相比更慢传播。

现在让我们假设两种介质,水和空气,沿界面是相互接触。

现在当光从水前往空气和点击率反映了接口,其中一些是在界面上,和,其余是折射或弯曲的角度,取决于两种介质的折射率。反射和折射,也是依赖于另一个参数-入射角或 θi。

这是对第一种介质,水里面的空气-水界面入射光和正常之间的角度。反射角之间的反射的光和正常人一样里面第一种介质,水,测量和等于入射角。但 '上的折射角' 或 θr 则是第二种介质,空气中的空气-水界面折射的光和正常之间的角度。

因此上的折射角是依赖于入射角和两种介质的折射率。折射定律或斯奈尔定律提供所有这些参数之间的关系。

现在,如果入射角缓慢增加,在一个点的光会出现沿水-空气界面,和上的折射角等于 90 度。此入射角称为临界角。请注意,是否第一种介质的折射率大于第二个下,它只可以。

在这相同的条件下,如果入射角的增加进一步,然后这束光折射急剧,它实际上完全反映回光源自于第一种介质。这种现象称为全内反射。

在审查了影响反射和折射的参数,让我们看看如何在物理实验室里验证这些原则进行实验。收集所有必要的材料和设备,包括专门的折射坦克一束光。

填充一个折射坦克用水的一半。打开光束,光束到一半罐装满了水。

用量角器,测量光束的入射角或光束和对空气-水界面正常之间水中测量的角度。此外,测量上的折射角或光束与空气-水界面到正常空气中测量的角度

现在,随着入射角的增加,因此到达了一个点的光束沿着空气-水界面显示。记下此入射角,因为它是为内部全反射临界角。

下一步,继续增加入射角旋转逆时针的光源。现在折射的光束完全获取反映入水展示全内反射。

随后,移动光源,使梁旅行入水前先进入空气半罐。对于不同的入射角的新光束路径重复议定书 》,并记录相应的折射角。

现在让我们来谈谈镜片,利用反射和光打造真正的折射和虚拟图像的对象。所有的镜头,无论凸或凹,有一个焦距 'f',这是从透镜将通过透镜后集中光线来自无限远的距离。凸透镜 f 是积极和凹透镜 f 是消极。

当一个对象被放在镜头前时,它创建图像。'薄透镜方程'提供了 'f' 的焦距、 对象和镜头之间的距离之间的数学关系 ' o 型,和镜头和图像之间的距离 '我'。

它是这个告诉我们是否由镜头图像是真实的或虚拟的数学图像距离 'i'。如果数学计算 '我' 是积极然后形成的图像将真实的并且如果它是负面的图像将虚拟。

对一个凸透镜,当对象距离 ' 奥是大于焦距 'f',数学上计算出的图像距离 '我' 将会积极和形成真实的图像。这是由于光线来自像照相机或显微镜所获取的图像对象的物理收敛。

然而,当对象距离 ' 奥是焦距长度小于 'f',数学上计算出的图像距离 'i' 是消极和形成一个虚拟映像。这是起源的因为光线似乎收敛,但实际上身体上出现分歧,和我们的眼睛为他们构建点。这是在一个放大镜,在那里形成了虚拟图像放大的情况下观察到。

凹透镜,来自物体的光线通过镜头和总是出现分歧。因此,计算出 '我',总是负的创建的图像始终是虚拟。

在本节中,我们将会验证真实和虚拟映像使用简单的凸、 凹透镜的形成。收集所需要的材料,即凸透镜、 凹透镜、 一张白色纸、 独特的一个小物件和钳来纸垂直

首先,将凸透镜的对象之间的那张纸。请确保他们所有的线和在同一高度。

移动对象和纸周围直到清晰图像,该对象将出现在纸上。在纸上看到这张图片是真实的图像,因为它可以捕获屏幕上。

现在测量距离从对象到镜头和镜头纸。使用薄透镜方程来确定透镜的焦距。

接下来,把纸放在旁边和移动对象拉近镜头,直到镜头和对象之间的距离小于焦距的镜头。透过镜头看起来和观察图像。

替换一个凹透镜凸透镜。看看凹透镜,观察 demagnified 的虚拟图像。

现在,我们已完成实验性协议,让我们检讨如何分析获得的数据。在第一个实验中,我们测量入射角和水-空气界面上的折射角。

通过使用斯奈尔定律和代入方程,以及折射率的空气,这些角度的值,我们可以计算折射率的水,出来要 1.33。

然后可以为不同的事件和折射角度重复此计算。所有计算的折射指数的平均将提供更加准确的测量的水的折射率。

我们还可以计算使用斯奈尔定律的内部全反射临界角。这是入射角折射角等于 90 度时。重新排列这个方程来求解临界角。

以前计算的平均用水的折射率,斯奈尔定律预测临界角的发病率是 48.8 度。这是非常接近的角度测量实验,从而验证斯奈尔定律。

当这束光预计从空气到水时,全内反射则不会发生在角度大于 48.8 度甚至光现在旅游从介质指数低到高。

在实验中的透镜,薄透镜方程表明为 11.02 厘米从透镜的物距和图像 9.21 厘米左右,透镜的焦距距离约 5.02 厘米。

在情况下,通过凸透镜,在距离小于其焦距,出现该对象的情况观察对象的放大的版本。这是一个虚拟图像,这个图像不能捕获屏幕上。同样,当使用凹透镜,是观察到 demagnified 的虚拟图像的对象。

光学,特别光学镜片,用于各行各业从摄影到人眼的医学影像。

光学纤维用于数据传输在许多当前天应用中,像电话信号的传输。这些纤维由核心、 熔覆,和保护的外涂层或缓冲区和其他强化层组成。

熔覆引导的光脉冲沿的全内反射法的核心表单中的数据。此属性的数据传输使纤维光学相机被医生用来查看在人体内的密闭的空间。

显微镜是利用显微镜来查看不是肉眼可见的对象字段。光或光镜介入通过可见光,而是通过折射或反射从样品,通过单个或多个的透镜,使样品的放大的视图。由此产生的图像可以直接测定眼,或以数码方式捕捉。

你刚看了反射和折射的朱庇特的简介。现在,您应该了解折射、 斯奈尔定律,和全内反射和也镜片以及它们是如何制造图像背后的理论的原则。一如既往,感谢您收看 !

Results

斯奈尔定律支配的光会弯时过境两媒体之间的角度。在表 1中给出了测量的入射光和水-空气界面上的折射的角。下面,给使用斯奈尔定律的水的折射指数的样本计算所示为入射角等于 30.1 ° 光从水到空气:

Equation 4

Equation 5

Equation 6

Equation 71.33


表 1中,不同的角度可以重复计算和测量的平均将提供折射指数的比任何个体的测量将会提供更好的测量。


表 1: 结果。

接口 Ө Өr n
空气 10.0 13.5 13.4
空气 19.8 26.6 1.32
空气 30.1 41.9 1.33
空气 20.1 15.1 1.32
空气 44.9 32.0 1.33
空气 75.2 46.7 1.33

为内部全反射临界角时发生折射角等于 90 °。对于水-空气界面,斯奈尔定律预测临界角的发病率是 48.8 °。

它是值得注意的是,折射的光束仍可见角大于 48.8 ° 时看着在这束光从空气走到水的界面。它只是在会上梁去从水空气在角度大于 48.8 ° 内部反映了梁的边界。全内反射,才会发生光云从一个中等与高折射指数的培养基与低折射指数。

镜头部分的实验中,当对象被放置在o = 11.02 厘米,形象走进约 9.21 厘米的焦点。薄透镜方程然后揭示了要约 5.02 厘米的凸透镜的焦距。

Applications and Summary

这个实验室探索物理的折射和镜头。斯奈尔定律用来测量使用的事件和折射的角度的测量水的折射指数。也有人在水-空气界面全内反射的现象。结果表明,凹透镜可以集中光线还创建虚拟图像,允许他们作为放大设备。

人眼所看到的聚焦到视网膜上的光,视力低下导致如果光线集中的前面或后面的视网膜。眼镜,帮助正确重新回到到视网膜上的光来纠正视力不好。相机使用透镜的光照到传感器上的眼睛聚焦到视网膜上的光以同样的方式。放大镜是简单凸透镜,创建扩大,虚拟映像的对象。光学显微镜使用多个镜头来极大地放大小物体,如细胞。同样,还有一种称为使用镜头来捕捉来自恒星、 星系和其他天体的光的折射望远镜。全内反射的光学纤维,用于数据传输和作为纤维内窥镜形式最常用。

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1.确定使用斯奈尔定律 (折射定律) 的水的折射率和寻找全反射临界角。

  1. 获取与光源的专门的折射坦克。
  2. 折射把水槽装满水,打开光源。直接从光源束入罐装满了水的一半。它可能需要昏暗的房间里的灯。
  3. 使用上折射坦克量角器测量光束的入射角 (测量油箱装满了水,上半年的角度) 和上的折射角 (在充满空气的坦克半测量的角度) 的水箱中的水-空气界面。
  4. 用于空气测量的角度和折射率 (n空气= 1.00) 来计算水的折射指数。
  5. 对几个入射角从 0 °,只是重复前面的步骤在 90 ° 之下。
  6. 随着入射角的增加,人会注意到,折射的光束不再可见上半年的包含空气的容器。直到到达的点在这束光首先消失从空中慢慢旋转光源关于坦克。这是为内部全反射临界角。
  7. 如果进一步旋转光源,它应该被观察光束反射回的水。
  8. 移动光源,使梁进入坦克充满空气首先在旅行到水的一半。记录几个的入射角和折射在此条件下。请注意说,以前,入射角是光线穿过水的角度。因为光现在会通过空气首先,新的入射角是的角,它穿过空气,并新上的折射角是,它在水中传播的角度。
  9. 观察,在此配置中不发生全内反射。全内反射仅发生当光从一种媒介与高折射指数的走向低折射率介质。

2.测量透镜的焦距和创建真实和虚拟图像的对象。

  1. 获得凸透镜、 凹透镜、 张白纸、 一把尺子,一个小的独特对象。它还有助于有镜片和对象,以及装置持有人举行张纸垂直光学平台。
  2. 地方的凸透镜之间的对象和一张纸,都在一条线和在同一高度。
  3. 移动对象和纸周围直到清晰图像,该对象将出现在纸上。在纸上是真实的图像。
  4. 测量从镜头到对象的距离和从镜头到本文的距离。使用薄透镜方程来确定透镜的焦距。
  5. 把纸放在旁边和移动对象拉近镜头,直到镜头和对象之间的距离小于焦距的镜头。
  6. 期待通过镜头: 应该看到一个放大的版的对象。这是虚拟图像。
  7. 替换的凹透镜凸透镜。通过凹透镜看: 现在是可见的对象的 demagnified 的版本。这也是一个虚拟映像。

光反映和传播以不同的速度和方向,或折射,根据材料通过,它传播,导致很多有趣的光学现象。

当一束光打玻璃块的表面时,它的一部分改变方向界面将返回到介质源自;这是反射。其余的光线改变它的方向在界面并穿过块的玻璃,以节约能量和动量;这是折射。

镜片在光学系统像显微镜可以使中找到使用的反射和折射创建可以通过人眼感知的图像。

在这里,我们将首先讨论的原则和参数的反射和折射。然后我们将在一个系统的空气和水都是这两种媒体展示这些现象。接下来,我们将研究在其中镜片创建图像,其次是光学领域中的几个应用的方法。

要理解的原则和参数的反射和折射,让我们拿两个媒体-水和空气。

要注意的第一关键参数是"折射指数"、 n-特点通过光介质传播。它被定义为光在真空中,'c',在介质中,光速的速度比值 'v'。N的空气是比水低,光在水与空气相比更慢传播。

现在让我们假设两种介质,水和空气,沿界面是相互接触。

现在当光从水前往空气和点击率反映了接口,其中一些是在界面上,和,其余是折射或弯曲的角度,取决于两种介质的折射率。反射和折射,也是依赖于另一个参数-入射角或 θi。

这是对第一种介质,水里面的空气-水界面入射光和正常之间的角度。反射角之间的反射的光和正常人一样里面第一种介质,水,测量和等于入射角。但 '上的折射角' 或 θr 则是第二种介质,空气中的空气-水界面折射的光和正常之间的角度。

因此上的折射角是依赖于入射角和两种介质的折射率。折射定律或斯奈尔定律提供所有这些参数之间的关系。

现在,如果入射角缓慢增加,在一个点的光会出现沿水-空气界面,和上的折射角等于 90 度。此入射角称为临界角。请注意,是否第一种介质的折射率大于第二个下,它只可以。

在这相同的条件下,如果入射角的增加进一步,然后这束光折射急剧,它实际上完全反映回光源自于第一种介质。这种现象称为全内反射。

在审查了影响反射和折射的参数,让我们看看如何在物理实验室里验证这些原则进行实验。收集所有必要的材料和设备,包括专门的折射坦克一束光。

填充一个折射坦克用水的一半。打开光束,光束到一半罐装满了水。

用量角器,测量光束的入射角或光束和对空气-水界面正常之间水中测量的角度。此外,测量上的折射角或光束与空气-水界面到正常空气中测量的角度

现在,随着入射角的增加,因此到达了一个点的光束沿着空气-水界面显示。记下此入射角,因为它是为内部全反射临界角。

下一步,继续增加入射角旋转逆时针的光源。现在折射的光束完全获取反映入水展示全内反射。

随后,移动光源,使梁旅行入水前先进入空气半罐。对于不同的入射角的新光束路径重复议定书 》,并记录相应的折射角。

现在让我们来谈谈镜片,利用反射和光打造真正的折射和虚拟图像的对象。所有的镜头,无论凸或凹,有一个焦距 'f',这是从透镜将通过透镜后集中光线来自无限远的距离。凸透镜 f 是积极和凹透镜 f 是消极。

当一个对象被放在镜头前时,它创建图像。'薄透镜方程'提供了 'f' 的焦距、 对象和镜头之间的距离之间的数学关系 ' o 型,和镜头和图像之间的距离 '我'。

它是这个告诉我们是否由镜头图像是真实的或虚拟的数学图像距离 'i'。如果数学计算 '我' 是积极然后形成的图像将真实的并且如果它是负面的图像将虚拟。

对一个凸透镜,当对象距离 ' 奥是大于焦距 'f',数学上计算出的图像距离 '我' 将会积极和形成真实的图像。这是由于光线来自像照相机或显微镜所获取的图像对象的物理收敛。

然而,当对象距离 ' 奥是焦距长度小于 'f',数学上计算出的图像距离 'i' 是消极和形成一个虚拟映像。这是起源的因为光线似乎收敛,但实际上身体上出现分歧,和我们的眼睛为他们构建点。这是在一个放大镜,在那里形成了虚拟图像放大的情况下观察到。

凹透镜,来自物体的光线通过镜头和总是出现分歧。因此,计算出 '我',总是负的创建的图像始终是虚拟。

在本节中,我们将会验证真实和虚拟映像使用简单的凸、 凹透镜的形成。收集所需要的材料,即凸透镜、 凹透镜、 一张白色纸、 独特的一个小物件和钳来纸垂直

首先,将凸透镜的对象之间的那张纸。请确保他们所有的线和在同一高度。

移动对象和纸周围直到清晰图像,该对象将出现在纸上。在纸上看到这张图片是真实的图像,因为它可以捕获屏幕上。

现在测量距离从对象到镜头和镜头纸。使用薄透镜方程来确定透镜的焦距。

接下来,把纸放在旁边和移动对象拉近镜头,直到镜头和对象之间的距离小于焦距的镜头。透过镜头看起来和观察图像。

替换一个凹透镜凸透镜。看看凹透镜,观察 demagnified 的虚拟图像。

现在,我们已完成实验性协议,让我们检讨如何分析获得的数据。在第一个实验中,我们测量入射角和水-空气界面上的折射角。

通过使用斯奈尔定律和代入方程,以及折射率的空气,这些角度的值,我们可以计算折射率的水,出来要 1.33。

然后可以为不同的事件和折射角度重复此计算。所有计算的折射指数的平均将提供更加准确的测量的水的折射率。

我们还可以计算使用斯奈尔定律的内部全反射临界角。这是入射角折射角等于 90 度时。重新排列这个方程来求解临界角。

以前计算的平均用水的折射率,斯奈尔定律预测临界角的发病率是 48.8 度。这是非常接近的角度测量实验,从而验证斯奈尔定律。

当这束光预计从空气到水时,全内反射则不会发生在角度大于 48.8 度甚至光现在旅游从介质指数低到高。

在实验中的透镜,薄透镜方程表明为 11.02 厘米从透镜的物距和图像 9.21 厘米左右,透镜的焦距距离约 5.02 厘米。

在情况下,通过凸透镜,在距离小于其焦距,出现该对象的情况观察对象的放大的版本。这是一个虚拟图像,这个图像不能捕获屏幕上。同样,当使用凹透镜,是观察到 demagnified 的虚拟图像的对象。

光学,特别光学镜片,用于各行各业从摄影到人眼的医学影像。

光学纤维用于数据传输在许多当前天应用中,像电话信号的传输。这些纤维由核心、 熔覆,和保护的外涂层或缓冲区和其他强化层组成。

熔覆引导的光脉冲沿的全内反射法的核心表单中的数据。此属性的数据传输使纤维光学相机被医生用来查看在人体内的密闭的空间。

显微镜是利用显微镜来查看不是肉眼可见的对象字段。光或光镜介入通过可见光,而是通过折射或反射从样品,通过单个或多个的透镜,使样品的放大的视图。由此产生的图像可以直接测定眼,或以数码方式捕捉。

你刚看了反射和折射的朱庇特的简介。现在,您应该了解折射、 斯奈尔定律,和全内反射和也镜片以及它们是如何制造图像背后的理论的原则。一如既往,感谢您收看 !

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