光的反射&折射&透射&衍射

光的反射

光在传播到不同物质时,在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象,叫做光的反射(Reflection)

光的反射定律:

三线共面:反射光线与入射光线、法线,在同一平面上;

两线分居:反射光线和入射光线分居在法线两侧;

两角相等:反射角等于入射角;

光具有可逆性:光的反射现象中,光路上是可逆的。

分类:

镜面反射(Specular Reflection)也称为正反射(Rrgular Reflection),是镜面状反射的波,反射光线与入射光线的表面法线具有相同的角度。

漫反射(Diffuse Reflection)平行光线射到凹凸不平的表面上,各条光线的反射角方向会混乱,反射光线射向各个方向,也称朗伯反射(Lambert Reflection)。

方向反射 Directional Reflection介于镜面反射和漫反射之间,也称非朗伯反射,其表现为各向都有反射,且各向反射强度不均匀,没有规律可寻。


光的折射

光从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生改变,从而使光线在不同介质的交界处发生偏折,这种现象叫做光的折射(Refraction)。

特性:光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处,只是反射光返回原介质中,而折射光线则进入到另一种介质中。由于光在两种不同的物质里传播速度不同,故在两种介质的交界处传播方向发生变化,这就是光的折射。

注意:在两种介质的分界处(不过有时没有),不仅会发生折射,也发生反射,例如在水或玻璃中,部分光线会反射回去,部分光线会进入水或玻璃中。反射光线光速与入射光线相同 ,折射光线光速与入射光线不相同。


全内反射:光折射的一个特殊情况,当光线由密度较高的介质(光密)到密度较低的介质(光疏)且入射角大于临界时,则只有反射光线,没有折射光线。光纤就是应用这种现象来运作。

光径的可逆性:在干涉与衍射可忽略的情况中,入射光线与反射光线的可交换性。就是在一条光径的终点,发出反方向的光,此光可沿原路径回到原来的起点。


光的透射

当光入射到透明或半透明材料表面时,一部分被反射,一部分被吸收,还有一部分可以穿透过去,这种现象称为光的透射(Transmission)。

透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体,如玻璃,滤色片等。

图片来源于网络

光的衍射

衍射(Diffraction),又称绕射,是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。

在经典物理学中,波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播,这种现象被称为衍射。

衍射现象也是波的一种特性,是光在通过阔度与其波长相当的孔或缝时所发生的现象,光不会持续原来的直线路径,而是作扇形发散状。

假设将一个障碍物置放在光源和观察屏之间,则会有光亮区域与阴暗区域出现于观察屏,而且这些区域的边界并不锐利,是一种明暗相间的复杂图样。这现象称为光的衍射,当波在其传播路径上遇到障碍物时,都有可能发生这种现象。

衍射不仅使物体的几何阴影失去清晰的轮廓,在边缘还会出现一系列明暗相间的亮纹。

除此之外,当光波穿过折射率不均匀的介质时,或当声波穿过声阻抗不均匀的介质时,也会发生类似的效应。在一定条件下,不仅水波、光波能够产生肉眼可见的衍射现象,其他类型的电磁波(例如X射线和无线电波等)也能够发生衍射。

没有人能够令人满意地定义干涉衍射的区别。这只是术语用途的问题,其实二者在物理上并没有什么特别的、重要的区别。

光不仅会沿直线传播、折射和反射,还能够以第四种方式传播,即通过衍射的形式传播。

衍射效应在日常生活中并不罕见。许多有关光的衍射实例都可以用肉眼观察到。例如,在CD光盘的表面,均匀地紧密排列着一系列的光轨,这些光轨相当于衍射光栅的作用。如果以一定的角度观察它们,会看到光在盘面表现出类似彩虹的彩色图样。将上述现象的基本原理加以利用,很多产生有意思衍射图样的衍射光栅,都可以被制备出来。衍射也是信用卡等所采用的全息摄影的技术基础之一。

红色激光的圆孔衍射图样(图片来自维基百科)
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