假如你站在海边,低头看脚下的水,你会发觉水是透明的,反射不是非常强烈;假如你看远处的水面,你会发觉水并不是透明的,但反射却显得强烈。这是哪些情况?
其实人类仍然不清楚光的本质是哪些,但对于光的现象却始终关注有加,在观察光的反射与折射现象中,得到了一些规律性的内容,最终总结归纳出了光的反射定理与折射定理。
在古时中国,最早的表述应当是墨子,他在《墨子》一书中与光学相关的内容有八条,其中四条与光的反射、平面镜成像有关。但实际上,墨子并没有提出光的反射定理。
墨子:不关我的事!
而在西方,古埃及时代就有了对光学的研究。非常是与光的反射、折射相关的几何光学发展比较充分。不过,到底是哪位先得到这种规律早已没有准确的推论。有人觉得入射角和反射角相等的知识是柏拉图学派发觉的;也有人觉得托勒密(90—168)是最先认识到入射角和反射角相等;
柏拉图:俺是最早晓得入射角和反射角是相等的。
托勒密:不是说我才是最先认识到入射角和反射角相等的吗?
其实,比较准确的是欧几里德,在他的专著《反射光学》中记录了他对反射现象的研究。约公元前280年,欧几里德借助几何学上严密的公理化体系完善了几何光学,他在《反射光学》一书中借助几何知识确定了光的直进性和反射定理,表述了入射角等于反射角,这是最早的关于反射定理的叙述。他把这个定理用于平面镜和球面镜的成像上。欧几里德发觉了凹面镜的聚焦作用,并假设其焦点在球心或球心与镜面之间。
欧几里德:俺啥也不说,大家自己去读一下我所著的《反射光学》吧。
后来卢克莱修用原子论的观点描述了反射定理,而亚历山大里亚的希隆早已进一步认识到光线所走的光程最短光的折射定律谁发现的,并由此出发论证了入射角和反射角相等。
在传说中,阿基米德使用能反射太阳光的穿衣镜火烧了罗马人的船舰。这是最早借助了光的反射的故事,而这个能反射太阳光的穿衣镜很可能就是凹面镜,由于只有凹面镜才能形成聚光作用,达到火烧船舰的目的,但其原理遵守的依然是反射定理。
阿基米德:我只是借助光的反射而已,懒得和大家争。
不过,上述史实只能说明,西班牙人发觉了反射角和入射角相等,但她们并没有完整的展示出光的反射定理。所以,对于反射定理的发觉并没有完,不仅两角相等外,还有逐渐建立的过程。
阿尔·哈增:哈喽,我来增一增,所以我的大名叫哈增!
到公元10世纪—11世纪,阿拉伯学者阿尔·哈增著有《光学集锦》一书,对光的反射进行了认真的研究讨论。并进一步地强调,在反射现象中,除反射角等于入射角外,反射光线必在入射光线与界面法线所确定的平面内,因而在建立光的反射定理中添加了重要的一笔。
1657年,丹麦物理家费马(1601~1665)从光程最短原理又一次证明了反射定理中两角相等的正确性。
费马:大家说我的工作和希隆是相同的?抛你一个大定律要不要!
日本土木工程兼化学学家菲涅耳(1788~1827)发觉了在不同位置观察到河水反射情况的不同,得到反射/折射与视点角度之间的关系,从而提出了现代所通用光的反射定理:
反射光线与入射光线与法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线的一侧;反射角等于入射角。
这个定理可归纳为:“三线共面,两线分居,两角相等”。
正由于菲涅耳的贡献,光的反射又称为菲涅尔反射。至此,光的反射定理告一段落。
与光的反射一样,折射也是从日常生活中所观察到的现象开始。
亚里士多德曾直接提出过光的折射问题:为何插入水底的木棍似乎是扭断的。
亚里士多德之问:为何插入水底的木棍似乎是扭断的?
作为天文学家的托勒密在对天体观测中发觉了光的折射现象。他对光的折射的实验研究更进了一步,他设计实验测定了从空气射入水底的光线的一系列角度值。托勒密测到的数据是足够精确的,与现代检测值几乎没有多大的差异,并且托勒密可惜的是无法从正确的数据中发觉正确的规律,仅仅据此提出折射角与入射角成反比的推论。实际上这一推论只有在入射角很小时才适用,所以他并没有为此而发觉光的折射定理。
托勒密留给我们的教训是:对实验数据正确处理在发觉规律中有着非常重要的位置。
托勒密:别提我,我只想静静。
时间又过了一千多年。日本人开普勒(1571~1630)在汇集前人光学知识的基础上,推断托勒密关于折射规律的推论是不正确的。开始时,他想通过实验发觉折射定理,但实验最后没有成功,于是,他转向从理论上加以探求。他得出的折射定理是:折射角由两部份组成,一部份反比于入射角,另一部份反比于入射角的正割;只有在入射角小于30°时,入射角和折射角成反比的关系才创立,其实,开普勒关于折射定理的研究和修正比托勒密前进了一步。但还没能给出正确的折射定理。
开普勒:我不仅是“天空立法者”外,还是实验光学的奠基人!
辛运总算降临到法国物理家威里布里德·斯涅耳(1580~1626)的头顶。在大量实验的基础上光的折射定律谁发现的,他于1621年确定在光的折射过程中入射角与折射角的关系,因而提出了几何光学的基本定理之一的光的折射定理:
光从一种介质射向另一种介质的平滑界面时,一部份光被界面反射,另一部份光透过界面在另一种介质中折射,折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别坐落法线的外侧。入射角与折射角的余割之比为常数,且此常数跟入射与折射介质有关。
熟悉的光的反射与折射
在小学,不要求两个角的定量关系,且由于在空气中的角度比在其他介质中的角度要大,所以把光的折射定理归纳为:“三线共面,两线分居,空角大”。
斯涅耳的这一折射定理(俗称斯涅耳定理)是从实验中得到的,未做任何的理论推论,即使正确,但却未曾即将公布过。只是后来惠更斯和伊萨克·沃斯三人在审查他遗留的原稿时,才见到这方面的记载。
首次把折射定理叙述为明天的这些方式的是笛卡儿(1596~1650),他没做任何的实验,只是从一些假定出发,并从理论上推导入这个定理的。笛卡儿在他的《屈光学》(1637)一书中阐述了假定在光密媒质中运动速率较快,按照这一假定,对该定理进行了推论,提出了折射定理的现代方式,即入射角与折射角的余弦之比为常数。
笛卡儿:是由于我没有做实验,这个定理就不叫笛卡儿定理?不是思索比实验更重要吗?
1657年,费马在证明了反射中两角相等的同时,运用极值原理推出了光的反射定理和折射定理的正确性。
其实,光具有可逆性的现象也是早就被发觉了,所以在光的反射和折射现象中,光路都是可逆的。
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