折射定律的发现及证明过程

折射定律的发现及证明过程


发布日期: 2016-10-24 更新日期: 2017-01-03 编辑:xuzhiping 浏览次数: 8392

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摘要: 公元2世纪,古希腊科学家托勒密做了一个关于光的折射实验。他在一个圆盘上装两把能绕盘心旋转的尺子,将圆盘的一半浸入水中。让光线由空气射入水中,就得到它在水中的折射光线,转动两把尺子,使它们分别与入射光线和折射光线重合。然后取出圆盘,按尺子的位置刻下人射角和折射角...

公元2世纪,古希腊科学家托勒密做了一个关于光的折射实验。他在一个圆盘上装两把能绕盘心旋转的尺子,将圆盘的一半浸入水中。让光线由空气射入水中,就得到它在水中的折射光线,转动两把尺子,使它们分别与入射光线和折射光线重合。然后取出圆盘,按尺子的位置刻下人射角和折射角。

尽管托勒密的实验方法是正确的,实验结果相当精确,与现代值几乎没有多大的差别。但是,由于他测量得不够精确,得出 了一个错误的结论,他认为折射角与入射角成正比。托勒密因此错过了一次发现折射定律的机会。

17世纪初,伽利略制成了望远镜,并利用他进行了很多科学观测。这些新的发现激励了德国人开普勒对光折射现象进行深入的研究。在汇集前人光学知识的基础上,开普勒断定托勒密关于折射规律的结论是不正确的。他从理论上加以探索,结果得出了折射定律。虽然开普勒关于折射定律的研究和修正比托勒密前进了一步,但还没能得出正确的折射定律。1611年,开普勒把他的发现写进了《折射光学》一书。

正确的折射定律是两个人建立的——荷兰数学家威里布里德•斯涅耳和法国数学家笛卡儿。

斯浬耳于1591年出生于荷兰莱顿,他曾在莱顿大学担任过数学教授。1621年,在开普勒的研究结果的启示下,斯涅耳通过实验确立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律。当时斯涅耳注意到了水中的物体看起来像漂浮的现象,并试图揭开其中的奥秘,由此便引出了他对折射现象的研究。

之后,斯涅耳做了进一步的实验。在实验中,他应用开普勒的方法发现:从空气到水里并落在容器垂直面上的一条光线在水中所走的长度,同该光线如按未偏离其原始方向而本来会通过的路程成一定的比。他指出:折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内,入射光线和折射光线分别位于法线两侧,入射角的正弦和折射角的正弦的比值对于一定的两种媒质来说是一个常数。

斯涅耳的这一折射定律是从实验中得到的,没有做任何的理论推导,虽然正确,但却从未正式公布过。1626年,就在斯涅耳去世不久,惠更斯和伊萨克•沃斯两人在审查他遗留的手稿时,才看到他关于发现折射定律的记载。

1637年,法国数学家笛卡儿进一步完善了斯涅耳光的折射定律,第一次给出了折射定律的现代表述形式。他提出了光就是由某种介质传递压力的模型,从数学上导出了用正弦函数形表述的折射定律。传统上认为,斯涅耳是首次从物理上阐明了光的折射定律,而笛卡儿则是第一次给出了它的数学公式。因此,折射定律被称为斯涅耳定律,也有人称为笛卡儿定律。

折射定律的发现引起了许多著名学者的强烈反响,纷纷从不同的物理角度,采取不同的数学工具来解释和证明折射定律。折射定律是几何学最重要的基本定律之一,它的发现使几何光学获得了进一步的发展。

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