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  • 1 # 章彥博

    要回答這個問題,首先要引入一個原理:費馬原理(Fermat principle),光傳播的路徑是光程取極值的路徑。所謂光程,可以認為正比於光走過某一路徑所需消耗的時間。

    我們舉一個生活中的例子:如果你看到遠處水中有個人溺水了,而你在岸上,而且,你並不正對著溺水者。這個時候,你就需要以最快的速度衝向溺水者。很顯然,人在岸上跑步的速度,是大於水中游泳的速度的。如果你直接在此地跳入水中,遊向溺水者,雖然路程是最短的,但你會花費更多的時間:因為在水中游泳的速度更慢。這時,更明智的做法是,先在岸上跑一段時間,然後足夠近了之後,跳入水中,去營救溺水者。

    這時問題就來了,到底要跑多久呢?這是一個最最佳化的問題,你所選擇的這個路徑,對應的時間消耗也是一個「極值」,即極小值。我們知道,如果整個場景都在水中、陸上,那最佳路徑顯而易見:直線。但若存在兩種不同的速度,就需要權衡:第一段在陸上移動的那部分,確實增加了路程,但降低了水中的路程,所以是可能可以降低總的時間成本的。

    上面是定性的推理,而從數學上,也確實可以嚴格的計算出這個最佳的營救路線。而有意思的是,如果假設存在類似的光學介質,這個營救路線恰好與光線折射的路徑重合。

    這就是費馬原理的一個實際例子。回到題主的問題,如果將這個物理過程看作某種「最佳化」過程,那麼你的問題就很容易解答——折射會使得光程最短。

  • 2 # 艾伯史密斯

    答:關於光折射原理的解釋,其他答友已經講得很清楚了,比如費馬原理,惠更斯原理都能解釋,我用一個簡單的實驗,來詮釋折射原理。

    我們用極值光程原理,可以很好地解釋了光在不同介質中,產生折射的規律,但是我們很難理解為何光遵循極值原理。

    在這,我用一個宏觀實驗,來類比光發生折射的原因。

    我們滾動一支粉筆,讓粉筆從一個光滑面滾動到粗糙面,如果垂直接觸面,很容易知道粉筆滾動方向不會發生變化。

    但是我們斜著接觸面滾動,會發生什麼現象呢?

    看圖,由於粗糙面摩擦力大,所以先接觸粗糙面的粉筆一端慢了下來,最終導致的結果,就是粉筆在穿過接觸面後,滾動方向發生了變化。

    這個就有點類似,光在穿過不同介質時,發生了折射。

    當然,兩者是有本質區別的,宏觀和微觀雖然存在差異,但是很多現象還是蠻相似的,這個實驗,可以作為理解光折射原理的啟發實驗。

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