《趣味物理學》在線閱讀——第8章 光的反射和折射（10-17）(2)

8.11　光為什么和怎樣折射？

　　光從一種介質進入到另外一種介質的時候，它的進路會曲折，這一點有許多人認為是大自然在耍脾氣。真的，光在進到新的介質以后，為什么不保持原來的方向前進，卻選擇了屈折的路徑呢？關于這件事情，如果用軍隊在容易走和不容易走的地面交界的地方行進的情形來做比喻，就會完全明白了。下面是前一世紀的天文學家和物理學家赫歇耳關于這個問題所說的話：

　　請設想有一隊兵士正在行進，那里的地面有一段是平坦容易走的，有一段是高低不平不容易走，因此走起來就不可能太快的。兩段地面的分界線，恰好是一條直線。現(xiàn)在，再設想這隊兵士的隊伍正面跟這條分界線成某一個角度，因此同一橫排的兵士到達這條直線不會在同一時間，而是有遲早的不同。每個兵士一跨過分界線走上不平的地帶，就不可能走得象以前那么快，因此，也就不可能再跟那些還沒有跨過分界線的同一排兵士保持在一條直線上前進，而慢慢的落后了。這時侯假如兵士不走亂隊伍，仍舊依著隊形前進，那跨過了分界線的部分不可避免地要落到其余部分的后面，因此在跟分界線相交的點上曲折成一個鈍角。又因為每個兵士一定要合著節(jié)拍踏著步子前進，也不能夠搶先，每個兵士就自然會依著跟新的隊伍的正面成直角的方向前進，因此每個兵士越過分界線以后所走的路徑，第一，會跟新的隊伍正面相垂直，第二，路程的長短和在平坦地面上在同一時間里面能夠走的路程長短的比，恰好跟新的行進速度和舊的行進速度的比相等。

　　我們不難應用手頭現(xiàn)成的東西，在桌子上做一個小實驗。把桌面的一半用臺布蓋好，然后，使桌子略略傾斜，把一對裝牢在一根軸上的小輪子（例如可以從損壞了的玩具汽車上拆下來）放在高的一頭讓它滾下去。假如輪子滾動的方向跟臺布的邊恰好成直角的話，那么它滾動的路徑是不會發(fā)生屈拆的。這表示了光學里的一條定律，就是垂直射向不同介質分界面的光線，是不發(fā)生屈折的。但是，如果輪子的滾動方向跟臺布的邊緣成某一個角度的偏斜，輪子滾動的路徑就要在這個邊緣上發(fā)生屈折，也就是說在行進速度不同的介質的邊緣上發(fā)生屈折。這里我們不難發(fā)現(xiàn)，當輪子從滾動速度比較大的那一部分桌面（沒有桌布的部分）滾到滾動速度比較小的那一部分桌面（有桌布的部分）的時候，它的路徑的方向是折近界線的垂線或者所謂“法線”的。在相反的情形，就要折離這法線。

　　從這里我們可以順便提出重要的一點，就是光的折射是在兩種介質里光的行進速度不同這一個基礎上面產生的。這速度上的差別越大，那么折射的程度也越大；表示光的折射程度的所謂“折射率”，就是

　　這里還可以看到光的傳播的另一個特性。如果說光線反射的時候是依最短的路徑行進的，那么在折射的時候是取最快的路徑的：除了這一條折射路線之外，沒有一個別的方向可能使光線這么快到達它的“目的地”的。

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