棱镜对光的折射和色散

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引言

当一束白光斜射穿过两种不同介质时，我们会观察到它偏离了原来的路径。此外，当白光穿过透明物质（例如玻璃棱镜）时，它会分解成其组成的光谱颜色。基于这两个物理概念，本教程旨在有效地讨论光线通过棱镜的折射和色散。

什么是光的色散？

色散现象可以定义为可见光分解成其组成颜色的过程。光被认为是不同颜色（具有不同波长和在单点处具有相似频率）的混合物。在物理学中，白光的可见性和波被认为是一种重要的电磁波形式。

图1：可见光谱

当所有光谱组合在一起时，白光才可见。基于这些条件，当白光照射到玻璃棱镜上时，人眼可以捕捉到所有可见光谱（Lefèvre, 2022）。

由于速度变化，整个光谱变得可见，呈现出多色图案；这种特定现象被称为光的色散。

什么是光的折射？

折射是指光线偏离其原始路径的现象。折射的主要原因是光线在不同介质中速度的变化。

例如，光在密度较大的介质中传播速度较慢，而在密度较小的介质中传播速度较快。此时，有两个折射定律起作用，

• 第一条定律指出，折射光线和入射光线与法线位于同一平面内（Bhattacharjee, 2021）。

• 第二条定律指出，如果入射光线来自一种介质并射到另一种介质的边界上，那么在折射时，入射角与折射角的正弦之比是一个常数。

光线通过玻璃棱镜的折射

图2：光线通过玻璃棱镜的折射

玻璃棱镜可见地具有3个侧面的矩形表面和2个倾斜的三角形底面。在上图中，D是棱镜角。根据光的折射定律，当光线从稀疏介质穿过致密介质时，它会朝法线弯曲；当它的传播路径从致密介质变为稀疏介质时，它会远离法线弯曲（Kapoor, 2021）。

玻璃比普通空气密度大，因此JP光线朝GP法线弯曲。

玻璃棱镜-光的色散

图3：玻璃棱镜对光的色散

棱镜被认为是一个由五个实心侧面、两个三角形底面和向内倾斜的矩形表面组成的多面体。由于棱镜的第二个矩形表面再次引起折射，因此不同颜色光的角度再次弯曲。光线折射的主要原因是一束白光包含一系列七种颜色。

这七种颜色具有后续的偏转角。在这些颜色中，红色的偏转最小，位于由白光折射形成的色带的顶部。

在这种情况下，紫色的偏转最大，因此紫色位于色带的底部。多色光进入致密介质透镜后，由于折射，每种颜色的光都走不同的路径。

光的色散示例

光的不同色散示例如下：

棱镜的色散：当白光照射到玻璃棱镜表面时，会发现从棱镜中射出七种不同颜色的色带，这是色散的结果。

彩虹的形成：彩虹通常被称为多色拱门，当阳光照射到空气中的水滴并发生光线色散时形成（Geeksforgeeks, 2021）。

钻石中的色散：与空气相比，钻石是一种致密的介质，它也会引起光的色散，也称为钻石火彩。

结论

本教程阐述了光线通过玻璃棱镜的折射和色散的概念。在这里，我们观察到光是由不同颜色的光谱组成的，这些光谱也具有不同的波长。因此，当光线从稀疏物质穿过致密物质时，光线的折射角会弯曲，并形成多色光谱。本教程包括折射定律和色散示例。

常见问题

Q1. 为什么棱镜会发生色散，而玻璃板不会？

在棱镜中可以看到光的散射，而玻璃板作为一个双棱镜，光线可以直接通过。

Q2. 为什么雨后会看到彩虹？

雨后，空气中的水滴开始像棱镜一样，有助于将阳光散射成各种颜色，形成一个视觉上色彩斑斓的拱门。

Q3. 什么是棱镜？

棱镜被定义为一个实心透明体，由三个矩形的侧面和两个以一定角度倾斜的三角形表面组成。

Q4. 光的折射和反射有什么区别？

光的折射导致光的方向发生变化，而反射是指光线从介质上反弹。

参考文献

期刊

Bhattacharjee, P. R. (2021). Discovery of total failure of the traditional laws of reflection and refraction of light to explain the phenomena of reflection and refraction. Optik, 240, 166923. Retrieved from: https://www.sciencedirect.com

Kapoor, S. (2021). Prisms in ophthalmology. Journal of Clinical Ophthalmology and Research, 9(3), 152. Retrieved from: https://www.jcor.in

Lefèvre, H. C. (2022). Comments about dispersion of light waves. Journal of the European Optical Society-Rapid Publications, 18(1), 1. Retrieved from: https://jeos.edpsciences.org

网站

Geeksforgeeks.org, (2021). Dispersion of Light. Retrieved from: https://www.geeksforgeeks.org [检索于2022年6月10日]

Zigya.com, (2022). Human eye and colourful world. Retrieved from: https://www.zigya.com [检索于2022年6月10日]