定義
斯涅爾定律 Snell's Law(光的折射定律):光入射到不同介質的界面上會發生反射和折射。其中入射光和折射光位於同一個平面上,並且與界面法線的夾角滿足如下關係:
n1sinθ1 = n2sinθ2
其中,n1和n2分別是兩個介質的折射率,θ1和θ2分別是入射光(或折射光)與界面法線的夾角,叫做入射角和折射角。
以上公式又叫斯涅爾公式。
發明者
威里布里德·斯涅耳(Willebrord Snell Van Roijen 1591-1626),荷蘭萊頓人,數學家和物理學家,曾在萊頓大學擔任過數學教授。斯涅爾最早發現了光的折射定律,從而使幾何光學的精確計算成為了可能。
特殊情況
當光由光密介質(折射率 n1比較大的介質)射入光疏介質(折射率n2比較小的介質)時(比如由水入射到空氣中),如果入射角θ1等於某一個角θc時,折射光線會沿折射界面的切線進行,即折射角 θ2=90。,此時會有sinθ2=1,則可推得sinθc = sinθ1 = n2/n1。 但如果入射角θ1大於這一個值θc時,入射角的正弦sinθ1 > n2/n1,會推得sinθ2>1。這在數學上是沒有意義的,所以此時,不存在折射光,而只存在反射光,於是便發生全內反射。而使得全內反射發生的最小入射角θc叫做臨界角,它的值取決於兩種介質的折射率的比值,即θc =sin-1( n2/n1)。例:水的折射率為1.33,空氣的折射率近似等於1.00,臨界角θc等於sin-1(1/1.33)= 48.8°。
費馬原理對斯涅爾定律的證明
假設光從介質n1入射到介質n2。以入射光線,法線和折射光線所在平面與兩個介質的交界面的交線為x軸,取一條與法線平行的直線為y軸,建立直角坐標系,兩條直線相交於點O(0,0)。在入射光線上任取一點A(x1, y1),光線與兩介質交界面的交點為B(x, 0),在折射光線上任取一點C(x2, y2)。
AB之間的距離為, BC之間的距離為。 由費馬原理可知,光從A點經過B點到達C點,所用的時間t 應該是最短的。, t 取最小值的條件是。
經整理得 = , 且
即 n1sinθ1 = n2sinθ2
惠更斯對斯涅爾定律的證明
荷蘭物理學家惠更斯認為光是一種波,現代物理學已經證實光是電磁波。考慮光波(平面波)從折射率n1的介質入射到折射率n2的介質,, 。
有,。因為波前是連續的,必有t1 = t2。
經整理得 n1sinθ1 = n2sinθ2