标 题: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？ 发信站: 南京大学小百合站 (Mon Apr 3 20:13:00 2006) 各位好！ 小可有个问题困扰很久了，想请教大家：光的反射和折射的本质是什么？教科书上讲，因 为光是一种波。我觉得应该还没有说到本质上。那么，最最深层的物理本质是什么呢？望 达人赐教。 我第二个问题是，布儒斯特角的物理机制是什么？教科书上只讲了光从光密介质传到光疏 介质时，若折射和反射波成九十度，平行极化波将没有反射波，这就是布儒斯特角。但是 这里都假设介质是电介质。于是，我就有一个问题了，光在磁介质间传播时，会不会也出 现布儒斯特角呢？为什么呢？ 谢谢大家！ -- ※ 来源:．南京大学小百合站 bbs.nju.edu [FROM: 202.119.45.162] |
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发信人: pangen (潘根), 信区: Physics 标 题: Re: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？ 发信站: 南京大学小百合站 (Wed Apr 5 07:29:34 2006) （一）关于反射和折射的物理图象 ○光波是电磁波。介质是由正负电荷微粒构成的。 ○介质分子的电矩在光波的周期性电磁力作用下发生受迫振动，成为子波源。 ○各子波源虽是分离的，但相隔的距离要比光波的波长小2～3个数量级，比光束的横 向相干尺度也要小很多个数量级,因而它们在宏观上的分布可以认为是连续的。 ○子波是球面波。在不同的介质中有不同的波速，因而界面处的子波源向两侧提供的 子波的波面都是半球面。 ○邻近的子波源是相干的，因而子波叠加后可以在小范围内得到平面波。反射光线和 折射光线都是在波面的法线方向上。根据这种特点，可以导出反射定律和折射定律。 （二）关于布儒斯特定律 ○反射定律和折射定律只能分别描述反射线和折射线的方向，不能描述反射线和折射 线的强度。如果要了解反射线和折射线的强度，那就需要考虑能量守恒原理，界面反射出 的和折射出的能量之和应等于同一时间里的入射能量。 ○光波是横波，有两个彼此正交的偏振方向。在研究反射和折射现象时，可根据入射 面的法线方向把入射光的电场矢量分解为“平行分量”和“垂直分量”。这两个分量是彼 此独立的，因而分别遵守能量守恒原理。 ○不论是“平行分量”还是“垂直分量”，反射线和折射线的强度（或振幅）之比都 是入射角i的函数。就“平行分量”而言，当i等于某个特殊值iB（B是脚标）时，反射系数 能够等于零，意味着此时出现“全折射”；就bbs是什么意思“垂直分量”而言，不论i取何种值，反射系 数和折射系数都不可能等于零，意味着“垂直分量”的反射线和折射线总是同时存在的。 ○自然光中含有“平行”和“垂直”两种成分。当它以i=iB的角度入射时,反射光中只 含“垂直”成分,意味着它是完全偏振光,因而iB被称为“起偏角”。 ○1811年,英国物理学家布儒斯特用经验归纳法得到 n” tan iB =── （1） n’ 此结论被称为布儒斯特定律, 因而起偏角iB又名布儒斯特角。n”/n’是相对折射率（第二 种介质相对于第一种介质而言的折射率）, n’和 n”分别是第一种介质和第二种介质的绝 对折射率。作为经验定律，公式（1）只能保证在实验精度范围内是正确的，没有理由说它 是严格的。 ○1818年,法国物理学家菲涅耳利用“光以太”模型创立了波动光学。利用菲涅耳的反 射折射公式能导出布儒斯特公式（1）。光学教科书上都说菲涅耳反射折射公式是严格的基 本公式,因而由它推出的布儒斯特公式也被认为是严格的。我估计这是抄袭十九世纪六十年 代以前的提法，代代相传。布儒斯特和菲涅耳都是生活在电磁理论问世之前,当时的人类还 未弄清光的本质,因而他们的认识难免历史的局限性。如今“光以太”本身已被证明不存在 ，也就没有理由说菲涅耳反射折射公式严格正确。 ○楼主提的问题,我在学生时代也思考过,并于1961年用电动力学方法导出了反射折射 公式的严格形式。起偏角满足的严格公式是 ┌ ε’ε”μ” -μ’ε”^2 ┐^1/2 tan iB =│- ────────│ （2） └ ε’ε”μ” -μ’ε’^2） ┘ 其中ε’和ε” 分别是第一种介质和第二种介质的介电系数,μ’和μ” 分别是第一种介 质和第二种介质的磁导率。绝对折射率n可用磁导率和介电系数描述。 利用折射率公式 n” ┌ μ”ε” ┐^1/2 ──=│── │ （3） n’ └ μ’ε’ ┘ 可将（2）式改写成 n” ┌ n”^2 （μ”^2 -μ’^2） ┐^1/2 tan iB =── │1 - ────────────│ （4） n’ └ μ”^2 （n”^2 -n’^2） ┘ 此式与布儒斯特公式（1）显然有差别。但是,如果两种介质有相同的磁导率,那么（4）式 就简化为（1）式。在实际材料中,除了铁磁材料以外,其余各种材料在磁导率方面的差异都 很小,因而布儒斯特公式一般是能与实验相符的。另一方面,不同的介质不可能有严格相同 的磁导率,因而可以肯定: 布儒斯特公式（1）是近似的。 ○菲涅耳反射折射公式中也遗漏了磁导率,因而它也是近似的。该式本来就比较繁琐, 引进磁导率后就更繁琐了,不便把它送上网。感兴趣的朋友可以参看我的《基础物理述评教 程》p.581～593。在那里,界面方面的六条定律可以同时地由同一个物理模型导出。一旦略 去磁导率,就能得传统的公式。 -- ※ 来源:．南京大学小百合站 bbs.nju.edu [FROM: 221.226.237.79] ※ 修改:．pangen 於 Apr 5 16:01:15 2006 修改本文．[FROM: 221.226.236.250] | |
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发信人: xiaoshu9979 (xiaoshu), 信区: Physics 标 题: Re: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？ 发信站: 南京大学小百合站 (Wed Apr 5 22:34:02 2006) 潘老师： 您好！ 想不到能得到您的指点，还有您这么详细的解释，真是太感谢了！ 我刚从图书馆查到您的书了，仔细地看了您说的那些页。关于这个问题，您说的和您书上 所写的，我大体明白了。只是，我还有一个问题：为什么会出现布儒斯特角呢？从反射率 公式，很容易推出布儒斯特角出现的数学条件。但是，我想知道的是它里面的物理原因是 什么。著名电磁学家孔金瓯在《电磁波理论》中写道：考虑平面极化波，折射波的电场引 起电介质中的电偶极子振动，进而产生电磁辐射，这种辐射发出的能量在垂直于振动方向 的平面内最大。当折射和入射波垂直时，这种辐射在反射波的方向上的能量分量为零，所 以，出现无反射波，此时的入射角即为布儒斯特角。我觉得这种解释似乎不是很合理。而 且如果时磁介质，又该怎么解释呢？ -- ※ 来源:．南京大学小百合站 bbs.nju.edu [FROM: 202.119.45.162] | |
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发信人: pangen (潘根), 信区: Physics 标 题: Re: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？ 发信站: 南京大学小百合站 (Thu Apr 6 18:39:19 2006) ○任何“介质”都是既具有介电系数ε又具有导磁系数μ。如果只考察其电学性质， 那么就说它是“电介质”；如果只考察其磁学性质，那么就说它是“磁介质”。光波中既 有电场又有磁场，因而把“介质”称为 “电介质”或称为 “磁介质”都不是很恰当的， 恰当的名称应当是“电磁介质”。 ○孔金瓯《电磁波理论》中只考虑了“电介质中的电偶极子振动”所引起的辐射，这 就与菲涅耳的“光以太”模型完全相似。菲涅耳未能把光波同电磁场联系起来，但已承认 光波是横波，让“光以太”内具有切应力场，只是未把切应力场命名为“电场”，未把折 射率同介电系数联系起来。从数学形式上看，介电系数的倒数相当于“切变模量”，因而 完全可以仿照连续介质力学处理机械波的办法来处理光波。 ○“如果是磁介质”的提法是否含有“只考虑介质的磁学性质而不考虑电学性质”的 意思？如果是“只考虑介质的磁学性质而不考虑电学性质”，那么，只要把“电介质中的 电偶极子振动”这句话改为“磁介质中的磁偶极子振动”就够了。这是因为，我们可以用 “等效磁荷法”来处理磁学问题，把“分子磁矩”理解为“磁偶极矩”。在这种情况下， 磁学中的强度量B=μH、能量密度u=H·B/2、边界条件Ht’= Ht”（切向分量连续）、Bn’ =Bn ”（法向分量连续）与电学中的D=εE、u=E·D/2、Et’= Et”、Dn’=Dn ”完全对称 ,磁场也可被分解为“平行分量”和“垂直分量”.在光波里,磁场与电场总相互垂直的,因 而“磁场平行于入射面”必定与“电场垂直于入射面”相当, “磁场垂直于入射面”必定 与“电场平行于入射面”相当.所以,完全可以照抄传统教科书里的做法而得到 n” tan iB = ── （1） n’ 所不同的是, 传统教科书里的相对折射率n”/ n’是代表（ε”/ε ’）^1/2, 而在“如 果是磁介质”的场合需把n”/ n’理解为（μ”/μ ’）^1/2 。 ○在“如果是磁介质”的情况下,“起偏条件”仍然是“折射线与反射线垂直”（不是 “折射和入射波垂直”）. ○光波中的电场和磁场是不可分割的整体,“电磁感应”和“磁电感应”总是同时出现 的.电动力学给出的n”/ n’既不是（ε”/ε ’）^1/2 又不是（μ”/μ ’）^1/2,而应 当是（μ” ε”/μ ’ ε’）^1/2, 所以“纯电介质”模型和“纯磁介质”模型都是不 可能与真实情况完全吻合的. ○从物理上讲, “起偏”是以“反射光为完全偏振光”为标志,由此来确定“起偏角该 是多少”.在特定条件下会出现“折射光线与反射光线垂直”,但“垂直”不是“起偏”的 前提条件. 如果既考虑光波中的电场又考虑光波中的磁场,那么起偏角就不是由（1）式确 定,而应当由 n” ┌ n”^2 （μ”^2 -μ’^2） ┐^1/2 tan iB =── │1- ──────────────│ （2） n’ └ μ”^2 （n”^2 -n’^2） ┘ 确定. ○反射定律和折射定律都与偏振与否无关,在“起偏”条件下,折射线与反射线之间的 夹角为 n’ θ = π – iB - r = π - iB – arcsin(── sin iB ) （3） n” 其中第一个等号后的iB是起偏时的反射角, r 是折射角.第二个等号后的iB是入射角,即为 起偏角,是利用反射定律和折射定律换算得到的. 如果起偏角由（1）式解出,那么代入（3）式后就能得到θ=π/2; 如果起偏角由（2） 式解出,那么代入（3）式后就会发现θ≠π/2 。由此可见, 在起偏条件下, 折射线与反射 线并不是严格垂直的. -- ※ 来源:．南京大学小百合站 bbs.nju.edu [FROM: 221.226.237.252] | |
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