博文

科学史-物理学编年史-21斯涅耳发现光的折射定律

已有 2710 次阅读 2023-1-4 15:12 |个人分类:科学史-物理学编年史|系统分类:科研笔记

科学史-物理学编年史-21斯涅耳发现光的折射定律

时间：公元1621年。

折射定律由荷兰数学家斯涅尔发现，是在光的折射现象中，确定折射光线方向的定律。

（1）折射光线位于入射光线和界面法线所决定的平面内；

（2）折射线和入射线分别在法线的两侧；

（3）入射角i的正弦和折射角i′的正弦的比值，对折射率一定的两种媒质来说是一个常数。

光从光速大的介质进入光速小的介质中时，折射角小于入射角；从光速小的介质进入光速大的介质中时，折射角大于入射角。

在斯涅尔之前，很多人都研究过光的折射现象，发现了折射定律的前半部分，在发现折射定律的路上走了一半的路程。他们没有走到底，是因为他们没有摆脱托勒密的研究模式，即首先观测入射角与折射角的对应数据，然后通过数据寻找数学规律。

根据经验，物理学家在寻找规律时，常会预设一些变化关系，比如正比关系、反比关系等，若有不符，再加减修正项，或附带修正常数。老办法在光的折射现象中不起作用，怎样才能获得真正的突破呢？结论只有一个，突破靠创新。斯涅尔想到了过度转换的方法，即引入能够反映角度变化的量，通过改变问题的背景条件获取新的研究方式。

斯涅尔先用像玻璃鱼缸一样的长方形玻璃水槽盛满清水，让光束从水面射入水中。从水槽侧面看，光进入水槽时发生偏折，如果水槽中没有水，光不会改变方向，会直线传播。光进入有水的水槽中时，可以画出一条实光线，也可以沿着光在空气中的方向，画出一条延长的虚光线。这样，水槽上的实光线与法线有一个夹角；虚光线与法线也有一个夹角。

虚光线与法线的夹角实际上等于入射光与法线的夹角，因为二者是几何上的对顶角的关系。经过转换，原来在不同媒质中的问题，可以放在同一种媒质中进行研究，即光从空气中进入水中的入射角，可以直接通过水中虚光线与法线的夹角代替。由于虚光线和实光线都处在玻璃水槽中，在玻璃水槽中立一块竖直的刻度板，就可量出交点沿虚光线到达竖刻度板的长度和交点沿实光线到刻度板的长度。

虚光线的长度与实光线的长度，分别处于折射角和入射角所在的直角三角形中，也就是说，虚光线长度是入射角所在三角形的斜边，实光线是折射角所在三角形的斜边。从前，托勒密等人费尽心力，在入射角和折射角上找规律，始终没有成功。斯涅尔改变研究路径，从研究角度变成研究长度，终于取得突破，通过三角函数计算，他发现：入射角的余割与折射角的余割之比是一个常数。

斯涅尔对折射定律作了明确的表述：在相同的媒质中，光的入射角与折射角的余割之比，总是保持相同的数值。