光線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)的時候，會發(fā)生折射現(xiàn)象，在很多人看來，這是神奇的大自然在作怪。的確很奇怪，為什么光在進入新的介質(zhì)時不保持原來的傳播方向，而是選擇一條曲折的路線呢。這么想的人，也許對這樣的回答會感到滿意：在本質(zhì)上，光經(jīng)過介質(zhì)交接處所遇到的情況，就像一隊齊步前行的士兵，從干燥的路面進入一片泥地時經(jīng)歷的情形一樣。19世紀著名的天文學家和物理學家約翰.赫歇爾就是這樣解釋光的折射現(xiàn)象的。
請您想象一下，有一隊士兵正行進在一個這樣的地區(qū)，這個地區(qū)被一條直線分為兩個區(qū)域，其中一個區(qū)域平坦、光滑，易于行走，而另外一個區(qū)域凸凹不平，所以士兵行走艱難，速度不會太快。假設這個橫隊與這條分界線并不是平行的，而是成某一個角度，這樣，這些士兵就不能同時走到分界線，而是先后到達。每個士兵在跨過分界線后速度都會馬上下降，不能像前面走得那么快了，所以，就不能再與橫隊中沒有跨過分界線的士兵保持一條直線上，而是逐漸落后于這條線了。
因為每個士兵在跨越分界線時都會遇到同樣的情形，所以如果他們不破壞隊形，不散開，而是繼續(xù)保持整齊的隊列前進，那么跨過了分界線的部分隊伍不可避免地要落于其余的部分，因此隊列的兩段就會在與分界線的交點上形成一個鈍角。因為士兵們必須齊步走，也不能夠搶先，這就使每個士兵都會按照跟新橫隊成直角的方向前進，因此士兵越過分界線以后的行進路線具有了新的特征，第一，與新橫隊垂直，第二，行進的距離與在沒有降速前的行進距離的比值，正好等于現(xiàn)在的行進速度和原來的行進速度的比值。
我們自己也可以在桌子上直觀地再現(xiàn)這個模擬光線折射的小實驗。用桌布蓋住一半的桌面（圖109），把桌子微微傾斜，然后把裝在一根軸上的一對小輪子（比如，從已經(jīng)壞了的兒童火車或者其他玩具上拆下來的車輪）放在桌面上，讓它向下滾。如果輪子的行進方向與桌布邊緣成直角，則行進路線是不會發(fā)生偏轉的。在這種情況下，您演示的光學定律是：垂直射向介質(zhì)分界面的光線不會產(chǎn)生折射。但是如果輪子的行進方向與桌布邊成斜角，那么行進路線在桌布邊緣就會發(fā)生偏轉，也就是在速度不同的介質(zhì)交界處發(fā)生偏轉。我們在這里不難發(fā)現(xiàn)，當輪子從滾動速度比較快的那部分桌面（沒有桌布）進入到滾動速度比較慢的那部分桌面（有桌布）時，行進路線（“光線”）的方向是更接近“法線（分界線的垂線）”的。在相反的情況下，會遠離這條法線。
圖109 用以解釋光的折射現(xiàn)象的實驗
從這里，可以引申出一個關于光折射現(xiàn)象的重要結論：光產(chǎn)生折射，是由于光在兩種不同介質(zhì)中的傳播速度不同。速度相差越多，折射就越大；反映光折射程度的所謂“折射率”，就是這兩個速度的比值。這時，如果您看到光從空氣進入水中的折射率為4/3時，您就會知道了，光在空氣中的傳播速度，大約是在水中速度的1.3倍。
從這里還可以得出光傳播的另外一個特性。如果在反射的時候光線走的是最短路徑，那么在折射的時候它走的就是最快路徑：除了這條曲折路線之外，任何其他方向都不能使光線這么快到達 “目的地”。
—-摘自《趣味物理學》
