1.2光与影在线视频

同学们好

今天我们开始讲光与影

浮光随日度 漾影逐波深

这诗情画意的景象

背后有怎样的科学道理呢

早在春秋战国时期

墨翟在他的《墨经》当中

就记载了小孔成像的画面

他写道

影（古时“景”通“影”）光之人 煦若射

下者之人也高

高者之人也下

这说的是光照到人身上

就像射箭一样

人的下部成影于上

人的上部成影于下

足蔽下光，故成影于上

首蔽上光，故成影于下

是说脚挡住了下面的光

所以成的影子在上方

而头挡住了上面的光

故成的影子在下方

在远近有端，与于光，故影库内也

是说小孔与像面的距离远近不同

则成影的大小就不一样

这里已经暗含了光是沿直线传播的道理

朱熹在一首诗中这样写道

半亩方塘一鉴开 天光云影共徘徊

问君哪得清如许 为有源头活水来

这些影像它是怎么形成的呢

首先我们看光的反射

这是空气和水的分界面

上方是空气 下方是水

一束光入射到水面

过入射点做与入射光线（界面）垂直

称为法线

有一部分光会反射回到空气当中

称为反射光

入射光线和法线的夹角称为入射角

反射光线和法线的夹角称为反射角

如果空气是均匀的

则入射角等于反射角

这就是反射定律

光入射到水面

除了反射之外

还有一部分会折射

把一只筷子插入水中

我们看到筷子好像折断了

这是折射的原因

折射光线与法线之间一个夹角

我们称为折射角

斯涅尔总结出折射定律

即sinα比上sinγ

等于n水比上n空气

这里n是指水的折射率

空气则是指空气的折射率

它又等于光在空气当中的传播速度C

和光在水中的传播速度v水的比值

我们通常看到的折射光与入射光

都是位于法线的异侧

那么折射光是否可以与入射光

位于法线的同侧呢

这个就是负折射现象

现在科学家已经制造出了这样的材料

这是正折射率的晶体

光入射到两种介质的分界面

在下方折射光线和入射光线

在法线的异侧

而如果是对于负折射率的晶体

我们看到入射光线和折射光线

都位于法线的同一侧

这就是负折射现象

就像下面这根吸管插到水中

通常我们看到

吸管弯折的方向是朝向右侧

那如果你看到吸管它朝向左侧弯转

那就说明下面的液体

是负折射率的材料了

光的反射和折射的原理

费马又把它总结成时间最短原理

即光线传播的路径是需时最少的路径

在图中入射光和折射光

遵循折射定律的这条路径

如果光要从A点到达B点

实际上可以有万千条的路径

比如我们从A经过O₁到达B

在这条路径当中

光在空气当中走的路程是最短的

而在水中走的路程是最长的

由于光在空气当中的速度最快

而在水中的速度要更慢

所以AO₁B的路径所经的时间比较长

而如果从A经过O₂到B

这个时候光在空气中走的路径最长

而在水中走的路径最短

虽然光在空气中走得快一些

在水中走的慢一些

但是这条路径也不是用时最短的路径

在数学上可以证明

从A经过O到B

满足折射定律的这条路径是最快的

光真是一个精灵

在万千条的路径当中

它会选择最短的那一条

真可谓路径三千独取一条行