一折射定律的建立.ppt

1、光的折射 （高中物理第三册）,公元140年，希腊天文学家托勒密曾经认为，入射角 与折射角 之间存在着简单的正比关系，并且用实验方法求出了光从空气射入水中时 ，从空气射入玻璃时 ，从水射入玻璃时 。但是，由此计算出来的折射角，只对比较小的入射角才大致与实验结果相符，当入射角增大时，就不符合了。下表列出的是光由空气射入玻璃时入射角与折射角一组数值。,从这些数值可以看出，入射角和折射角之间并不存在简单的正比关系。为了研究折射角与入射角的定量关系，科学家作了多方面的尝试，直到1621年，斯涅耳才找到了这个关系。,思考题 1、科学家在光的折射定律建立方面作了哪些方面的尝试？ 2、斯涅耳是如何找到入射角和

2、折射角的关系的。 3、在光的折射定律建立的近1500年间，哪些科学家对此作了重要贡献？ 4、费马是怎样推出折射定律的？,折射定律的建立,一 折射定律的现代表述,光的折射定义 光从一种介质射到它和另一种介质的分界面时,斜着射向界面的光进入第二种介质的现象,叫做光的折射.,光的折射定律,1. 折射光线跟入射光线和法线在同一平面内 2. 折射光线和入射光线分别位于法线两侧； 3. 入射角的正弦跟折射角的正弦成正比,入射角的正弦和折射角的正弦之比为一常数, 如果用n21表示这个比例常数,就有 :,式中n21称为第2介质对第1介质的相对折射率,二 折射定律的由来,1. 托勒密对折射现象的实验研究 最早定

3、量研究折射现象的是公元2世纪希腊人托勒密,他测定了光从空气向水中折射时入射角与折射角的对应关系,虽然实验结果并不精确,但他是第一个通过实验定量研究折射规律的人, 实验设计 托勒密的实验设计如图所示：在一个圆盘上装上两把能绕盘中心旋转的的尺子将圆盘面垂直立于水中，水面到达圆心处 实验方法 实验时转动两把尺子使之分别与入射光线和折射光线重合然后把圆盘取出，分别按照尺的位置测出入射角和折射角,实验结果 托勒密通过上述的方法测得从空气中射入水中的光线折射时的一系列对应值为：,现代值,折射角,入射角,托勒密值,数据分析 托勒密通过分析以上足够精确数据，得出结论：折射角和入射角是成正比关系 今天我们知道这

4、个结论是不正确的，它只有在入射角很小的情况下才近似成立托勒密是第一个用实验的方法测定入射角和折射角的人,但是托勒密并未由此发现正确的折射定律. 以后阿拉伯人也进行过类似的测量，但没有找到入射角和折射角之间的关系,2. 开普勒对折射规律的修正 大约过了一千年，德国人开普勒在汇集前人光学知识的基础上，对折射现象作了进一步的研究他认识到入射线、反射线和法线总是在同一平面，入射线与反射线各处于法线的一侧开普勒还想通过实验发现折射定律,开普勒在1611年发表了折光学一书，书中记载了他做的实验，他设计的装置如下图日光LMN斜射到器壁DBC上，BC边缘的影子投射到底座，形成阴影边缘HK另一部分从DB射进一玻

5、璃立方体ADBEF内，阴影的边缘形成于IG根据屏高BE和两阴影的长度EH和EG，就可以算出玻璃立方体的入射角和折射角之比,开普勒经过实验得出的折射定律是：折射角由两部分组成，一部分正比于入射角，另一部分正比于入射角的正（余）割；在入射角小于30时，入射角与折射角大致是一种正比关系。 由于在托勒密之后的1400多年间，人们对光的折射现象的认识进步不大，显然，开普勒关于折射定律的研究和修正比托勒密前进了一步但也没能给出正确的折射定律,3、斯涅耳发现折射定律 荷兰数学家斯涅耳（1591- 1626）大约在1621年，通过实验 确立了开普勒想发现而没有能够 发现的折射定律斯涅耳做了如 下实验：如图(a

6、)所示， 当在空气 中的0点观察水中的F点射到D点 的光线，如同来自C点的光线,图（a）,斯涅耳还由图(b) 发现，DC和DF之比对于任意的入射角都是不变的，有如下关系：,=常数,即“入射角和折射角的余割之比总是保 持相同的值。” 斯涅耳实验中得到了折射定律，但未作理论上的推导是笛卡儿对折射定律作了推导笛卡儿的折射定律与斯涅耳的定律内容是一样的，但形式不一样，笛卡儿把斯涅耳的余割之比换成了正弦之比,图（b）,法国人笛卡儿不久也推导折射定律 如右图所示，笛卡儿设想球从A打到B点，CBE不是地面，而是薄脆的布，球穿过布，只损失了部分速度，例如损失了一半,假设为了确定球穿过布的路径，运动的趋势可看成

7、是由两部分组成的，其中从上而下的运动因与布相碰而必有变化，至于那向右运动的趋势，因为布并没有在这个方向上与球相碰，则总与过去一样,4. 笛卡儿发现的折射定律,以B为中心画圆AHDG，作直线AC、HB、FE与CBE成直角，并要求FE和HB之间的距离为HB和AC之间的距离的两倍，因为，既然球在穿过布时失去了一半的速度，那么它从B 点下落到圆周AHDG上某一点所需时间应等于是A到B的两倍, 而向右运动的趋势并无损失， 球穿过布CBE下落到圆周AHDG上时， 向右运动的距离BE为CB的两倍，因 而球只有达到直线FE和圆AHDG的交 点I，其它任何点都不可能于是我们 看到，球应该向I点运动,笛卡儿说明折

8、射用图,从笛卡儿这一段说明可以看出： 1、笛卡儿用球的运动来阐述光的折射，而球的运动服从力学规律可见，他采用的是微粒说 2、笛卡儿假设光在两种媒质中的速度不一样，折射现象归因于光速不同 3、笛卡儿假设平行于媒质交界面的光速分量不变由此可以推出折射定律：,设在上图中光在上层媒质的光速为Vi，入射角为i；光在下层媒质中的速度为Vr，折射角r，则：,由此得出：,，,=常数,（假设密媒质光速比疏媒质光速大）,5. 费马对折射定律的发展,笛卡儿的推导受到同国人费马的批评1661年，费马把数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确结论，这就是著名的最短时间原理，用现代的数学语言可表述为： 假设，如图中上层为疏媒质， 光速为Vi，下层为密媒质，光速 为V光从C到达I所需时间为：,令FD=x, FH=e 则,将上式对x微分,由此得:,费马从一全新的途径进行光折射的研究前人已证明，光在同介质中行进的路径是直线和光的反射定律，都是光沿捷径行进的结果费马认为，光的折射也不例外，即光在不同媒介中行进沿最短路线行进费马原理费马在假