光学 理解全内反射的临界角
光学-全内反射的临界角
了解全内反射
想象一下，你在阳光明媚的日子里站在游泳池的边缘。你把脸靠近水面，并以一个角度看过去。你注意到在某个角度，你几乎看不到水外的任何东西；它几乎看起来像一面镜子。这种现象，即光线完全反射回介质内部而不是折射，称为全内反射（TIR）。
全内反射的核心是一个迷人的概念，称为临界角。临界角是发生全内反射的最小入射角。现在，让我们深入了解其背后的科学。
简单解释临界角
可以利用光折射的原理来理解临界角，这些原理由斯涅尔定律（Snell's-Law）控制。当光线从较密的介质（如水）传播到较稀的介质（如空气）时，它会远离法线弯曲。随着入射角的增加，折射光线会进一步远离法线弯曲。当这个角度达到某个点时，折射光线会沿着两个介质的边界掠过。这个特定的角度称为临界角。任何大于临界角的角度都会导致全内反射。
临界角的公式
斯涅尔定律定义了入射角和折射角以及两个介质折射率之间的关系：
n1-*-sin(θ1)-=-n2-*-sin(θ2)
其中：
- n1：较密介质的折射率
- θ1：入射角
- n2：较稀介质的折射率
- θ2：折射角
在临界角（θc）时，折射角θ2变为90度，因为折射光线沿着边界掠过。将其代入斯涅尔定律得出：
n1-*-sin(θc)-=-n2-* sin(90°)
由于sin(90°) = 1，公式简化为：
sin(θc) = n2 / n1
或以易于使用的形式表示：
θc = arcsin(n2 / n1)
参数使用：
n1：较密介质的折射率（无单位）n2：较稀介质的折射率（无单位）
计算临界角的例子
例子1：水到空气的界面
以光从水（n1 = 1.33）传播到空气（n2 = 1.00）的情况为例。使用公式：
θc = arcsin(1.00 / 1.33)
计算得出：
θc ≈ 48.75°
这意味着对于任何大于48.75°的入射角，光将在水 空气边界处发生全内反射。
例子2：玻璃到空气的界面
考虑光从玻璃（n1 = 1.5）传播到空气（n2 = 1.00）的情况：
θc = arcsin(1.00 / 1.5)
计算得出：
θc ≈ 41.81°
从玻璃到空气传播的光在入射角大于41.81°时将完全反射。
常见问题
临界角的意义是什么？
临界角在光学中具有重要意义，因为它决定了全内反射的条件，这对于光纤、双筒望远镜和某些光学仪器等各种应用至关重要。
当光从较稀介质传播到较密介质时，能否发生全内反射？
不能，全内反射只能在光从较密介质传播到较稀介质时发生。
如果入射角恰好等于临界角会发生什么？
如果入射角恰好等于临界角，折射光线将沿着两个介质的边界传播。
结论
了解临界角是研究光学的关键。通过使用公式θc = arcsin(n2 / n1)并了解所涉及的两个介质的折射率，可以确定全内反射发生的角度。这个现象不仅令人着迷，而且具有巨大的实用价值，支撑着光纤技术和各种光学设备的应用。