光的折射、反射与散射模拟实验平台

实验原理

当光从一种介质斜射入另一种介质时，通常会发生以下现象：

1. 反射现象：部分光线在界面处反射回原介质
2. 折射现象：部分光线进入第二种介质并改变传播方向
3. 散射现象：当介质不均匀时，光线会向各个方向散射

反射定律

反射光线遵循反射定律：

入射角 θᵢᵢᵢ = 反射角 θᵣᵣᵣ

反射光线与入射光线分居法线两侧，且三者在同一平面内。

折射定律（斯涅尔定律）

折射光线遵循折射定律：

n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂

其中：

• n₁ 和 n₂ 分别是两种介质的折射率
• θ₁ 是入射角（入射光线与法线的夹角）
• θ₂ 是折射角（折射光线与法线的夹角）

散射现象

散射是光与介质中的微小粒子相互作用的结果：

• 散射强度与波长的四次方成反比（瑞利散射）
• 短波长光（如蓝光）比长波长光（如红光）更容易被散射
• 粒子大小也会影响散射效果

散射强度: I ∝ 1/λ⁴

临界角与全反射

当光从折射率较大的介质进入折射率较小的介质时（如从水进入空气）：

• 随着入射角增大，折射角会先达到90°
• 此时的入射角称为临界角θc
• 当入射角大于临界角时，所有光线都会被反射回原介质，这种现象称为全反射

临界角计算公式：θc = arcsin(n₂/n₁) (n₁ > n₂)

当前介质的临界角: 计算中...

光线能量分配

在实际情况下，入射光的能量会在反射光、折射光和散射光之间分配：

• 反射光强度与入射角、两种介质的折射率有关
• 折射光强度 = 入射光强度 - 反射光强度 - 散射光强度
• 当发生全反射时，几乎全部光能都被反射
• 散射光强度取决于介质的不均匀性和散射特性