8.11　光為什么和怎樣折射？

　　光從一種介質(zhì)進(jìn)入到另外一種介質(zhì)的時(shí)候，它的進(jìn)路會(huì)曲折，這一點(diǎn)有許多人認(rèn)為是大自然在耍脾氣。真的，光在進(jìn)到新的介質(zhì)以后，為什么不保持原來(lái)的方向前進(jìn)，卻選擇了屈折的路徑呢？關(guān)于這件事情，如果用軍隊(duì)在容易走和不容易走的地面交界的地方行進(jìn)的情形來(lái)做比喻，就會(huì)完全明白了。下面是前一世紀(jì)的天文學(xué)家和物理學(xué)家赫歇耳關(guān)于這個(gè)問(wèn)題所說(shuō)的話：

　　請(qǐng)?jiān)O(shè)想有一隊(duì)兵士正在行進(jìn)，那里的地面有一段是平坦容易走的，有一段是高低不平不容易走，因此走起來(lái)就不可能太快的。兩段地面的分界線，恰好是一條直線。現(xiàn)在，再設(shè)想這隊(duì)兵士的隊(duì)伍正面跟這條分界線成某一個(gè)角度，因此同一橫排的兵士到達(dá)這條直線不會(huì)在同一時(shí)間，而是有遲早的不同。每個(gè)兵士一跨過(guò)分界線走上不平的地帶，就不可能走得象以前那么快，因此，也就不可能再跟那些還沒有跨過(guò)分界線的同一排兵士保持在一條直線上前進(jìn)，而慢慢的落后了。這時(shí)侯假如兵士不走亂隊(duì)伍，仍舊依著隊(duì)形前進(jìn)，那跨過(guò)了分界線的部分不可避免地要落到其余部分的后面，因此在跟分界線相交的點(diǎn)上曲折成一個(gè)鈍角。又因?yàn)槊總�(gè)兵士一定要合著節(jié)拍踏著步子前進(jìn)，也不能夠搶先，每個(gè)兵士就自然會(huì)依著跟新的隊(duì)伍的正面成直角的方向前進(jìn)，因此每個(gè)兵士越過(guò)分界線以后所走的路徑，第一，會(huì)跟新的隊(duì)伍正面相垂直，第二，路程的長(zhǎng)短和在平坦地面上在同一時(shí)間里面能夠走的路程長(zhǎng)短的比，恰好跟新的行進(jìn)速度和舊的行進(jìn)速度的比相等。

　　我們不難應(yīng)用手頭現(xiàn)成的東西，在桌子上做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)。把桌面的一半用臺(tái)布蓋好，然后，使桌子略略傾斜，把一對(duì)裝牢在一根軸上的小輪子（例如可以從損壞了的玩具汽車上拆下來(lái)）放在高的一頭讓它滾下去。假如輪子滾動(dòng)的方向跟臺(tái)布的邊恰好成直角的話，那么它滾動(dòng)的路徑是不會(huì)發(fā)生屈拆的。這表示了光學(xué)里的一條定律，就是垂直射向不同介質(zhì)分界面的光線，是不發(fā)生屈折的。但是，如果輪子的滾動(dòng)方向跟臺(tái)布的邊緣成某一個(gè)角度的偏斜，輪子滾動(dòng)的路徑就要在這個(gè)邊緣上發(fā)生屈折，也就是說(shuō)在行進(jìn)速度不同的介質(zhì)的邊緣上發(fā)生屈折。這里我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪子從滾動(dòng)速度比較大的那一部分桌面（沒有桌布的部分）滾到滾動(dòng)速度比較小的那一部分桌面（有桌布的部分）的時(shí)候，它的路徑的方向是折近界線的垂線或者所謂“法線”的。在相反的情形，就要折離這法線。

　　從這里我們可以順便提出重要的一點(diǎn)，就是光的折射是在兩種介質(zhì)里光的行進(jìn)速度不同這一個(gè)基礎(chǔ)上面產(chǎn)生的。這速度上的差別越大，那么折射的程度也越大；表示光的折射程度的所謂“折射率”，就是

　　這里還可以看到光的傳播的另一個(gè)特性。如果說(shuō)光線反射的時(shí)候是依最短的路徑行進(jìn)的，那么在折射的時(shí)候是取最快的路徑的：除了這一條折射路線之外，沒有一個(gè)別的方向可能使光線這么快到達(dá)它的“目的地”的。

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