千年追光遇到折射定律

核心内容:光折射的规律是什么?

为什么水中的筷子会弯折?光为什么会“拐弯”?这个光的折射现象,开启了人类跨越千年的探索。公元2世纪,托勒密通过圆盘实验,总结出折射角与入射角近似成正比的规律。从最初的托勒密提出“光的折射是否有规律”,到开普勒提问“正比规律是否普适”,再到斯涅耳提问“真正的规律是什么”这一系列问题链的探索,人类用了一千四百年的时间。

 

展项1:圆盘测角

公元2世纪,托勒密把光斜着穿过两种透明介质的界面时改变了方向的现象(光的折射)变成了可以测量的问题。他记录光从空气进入水时的入射角和折射角,留下了现存较早的一组系统折射实验数据。虽然他没有找到今天使用的准确规律,但这一步很重要:从此,人们不只说“光弯了”,还可以比较它究竟弯了多少。展项“圆盘测角”复原的正是这种思路。


展项2:水镜之谜

到了17世纪,开普勒等人发现,早期那种把两个角度看成简单比例的办法,只在角度很小时近似合适,角度一大就会露出破绽。他还讨论过一种更特别的现象:光从水射向空气时,随着入射方向越来越斜,折射光会越来越贴近界面;达到临界角时,再继续增大角度,光便全部反射回原来的介质,这就是全反射现象。展项“水镜之谜”,让图案随水位升降呈现出魔术般的变化。


展项3:寻踪幻影

科学家斯涅耳转变了实验设计的思路,将测量角度变为测量线段长度。他发现在他构造的几何图形中有两条线段的长度比值永远不变。这等价于如今的折射定律。借助这条规律,人们终于能够预测光进入另一种介质后会朝哪里前进。展项“寻踪幻影”把这条抽象规律变成了眼前的变化。水位改变后,能够进入眼睛的光路也随之改变,于是藏在水中的玩偶时隐时现。玩偶没有移动,改变的是光到达我们眼睛的路线。