折射率（光速快与慢）
文摘
2024-11-08 11:02
湖北
生活中我们从来没体会到光速，尽管有很多天才的实验可以测出光速，但是和我们有多大关系呢？光总是以难以置信的速度瞬间使所有事物变亮。爱因斯坦说光速是宇宙中已知的最快速度。“最快”其实是特指真空中，光在不同的透光介质中，传播速度是不一样的，比如在水中，光的速度比电的速度慢。准确的说c是已知的最快速度。不同的透光材料的折射率不同，光在不同的透光材料速度也不一样了，就出现折射。今天聊一下折射。光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时，光在两种不同的物质里传播速度不同，两种介质的交界处传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。
另外，其实光在两种介质的交界处还有很复杂的活动，既发生折射，同时也发生反射。反射光还是回到原来的介质，光速与入射光相同，折射的光速就不一样了。举个例子来说折射，鼓乐队在表演时候要求就是整齐划一！但是在街道地面和草地地面或者沙地上表演，乐手走路的阻力差异很大。
如果是泥潭，肯定就更慢了，还有可能停下来（光是可以被延迟的，以后有机会再讨论）。鼓乐队碰到悬崖怎么办？肯定停下来了。光线如果碰到不导光的介质，那就被吸收了（也有部分被反射）。鼓乐队在地面和沙地的界面上发生的速度和角度变化，这几个图基本就说明白了。
（一）鼓乐队沿着垂直方向进入沙地，角度不变，速度变慢。
（二）鼓乐队在普通路面，速度正常，前后左右间距恒定。沿着某一角度走进沙地。
（三）鼓乐队部分人员进入沙地，进入沙地的人的步伐先变缓了，旁边的人也陆续进入，速度变慢，角度也在进入的过程中变了。
（四）鼓乐队都在沙地上行走，速度慢，但是都是匀速，没有角度变化，前后左右间距恒定。沿着某一角度走出沙地。
（五）鼓乐队部分人员走出沙地，步伐先变快了，旁边的人也陆续走出，速度变快，角度也在走出沙地的过程中变了。
鼓乐队走沙地的过程是基于光的微粒说来解释，理解以后，我们再看电磁波通过玻璃板角度发生变化，就非常清晰了。
早期，牛顿是光的微粒说的支持者，牛顿时代以后的上百年，也无人撼动微粒说的地位。光的微粒说可以建立很好的模型来解释光学现象。不过微粒说不好解释光的偏振问题。后来微粒说和波动说的战争继续，托马斯杨（Thomas Young）的双缝干涉展示了教科书级的波动说实验结果；菲尼尔（Fresnel）的圆盘衍射实验（后来被称为“泊松亮斑”）提出了光的衍射理论，他也成功解释了光的偏振问题；后来麦克斯韦方程让波动说又达到顶峰…
不管光是波动还是微粒，对于工程应用来说，寻找更便于理解的理论，帮助解决实际问题才是关键。理解了折射，折射率就是区分不同材料（均匀介质）导光速度的一个标准值。计算折射率的公式是恒定的真空光速c 除以在某种介质中光传播的速度v。· 金属锗4.05 （波长3000 – 16000nm）
谈折射率不谈波长，就是没有意义的。塞耳迈耶尔（Sellmier） 的模型非常好的描述特定透明介质中折射率和波长的经验关系。波长不一样的光，传播速度一样。再打个比方。如果一个小朋友，以5公里/小时的速度行走，步伐较小（短波长）；另一大个子成年人，也是5公里/小时的速度行走，步伐大（长波长）。在人行道没有人的时候，小朋友和成年人的速度一样，一个小时行走5公里。但是当人行道拥挤时，在人群中穿梭躲避，小朋友受到更大阻力，弯曲角度就大。光与材料相互作用与波长有关，红光（长波长）比蓝光（短波长）具有更少的能量传播速度更快。
光学和历史之间存在紧密的联系，找回前一段写的一篇文章，1317年，玻璃制造商安杰洛·巴洛维亚发现富含氧化钾和锰的海藻加入熔融的玻璃液，冷却后就产生了一种异常晶莹剔透的无色玻璃。无色玻璃的出现直接触发了眼镜的发明（包括后来的望远镜、显微镜）。同时印刷术降低了书籍成本，眼镜和印刷引发人们文化水平突然提高，导致了文艺复兴。人们利用折射原理发明了透镜（凸透镜和凹透镜等等，类型很多）。中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜，中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜，凸透镜具有汇聚光线的作用，可用于老花镜；凹透镜具有发散光线的作用，可用于近视眼镜。
透镜是组成显微镜光学系统的最基本的光学元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。如，放大镜、望远镜、显微镜等。
石英玻璃纤芯的折射率是1.45左右；空芯光纤的纤芯是空气，空气的折射率基本是1。所以光应该在空芯光纤中传播更快。这也是空芯光纤在通讯应用中的一个重要优势，从折射率不同来看，空芯光纤可以比常规的石英玻璃材料光纤提高40%的光传播速度。
