当光路可逆遇上全反射

光的反射和折射均遵守光路可逆规律，但学生在学习全反射时会遇到一些困惑：如图1，光从光密介质射向光疏介质时，入射角恰好为临界角C时，折射光线恰好“消失”，如果根据光路可逆，用一条“消失”的光线3沿表面入射，怎么可能沿着光线1返回呢？

一、问题出现的背景

光路可逆规律是几何光学中的一条规律，几何光学是以几何定律和某些基本的实验定律为基础的光学。几何光学的一些结论只是真实情况的近似，有自己成立的条件：即在所研究对象与情景的尺寸远大于波长时，或者情景对光振动的振幅与位相不做要求，一些波动性质可不考虑时，几何光学的规律才能成立。光路可逆规律正是在上述条件下的一种实验规律。

全反射规律也是几何光学的一个比较重要的实验规律。但实际上全反射那条恰好“消失”的光线在光疏介质中的场并不为零。其波动的角度，如图2，折射波的场是一个沿z轴方向传播但振幅在x方向呈指数衰减的波，它称为“表面波”或“倏逝波”。

二、给学生的解释

人教版高中物理教材的編排中，在讲解这个问题时，由于学生对光的波动性还一无所知，解释起来还是有一定的困难。我们可以尝试用下面的方式来说明：光路可逆规律和全反射规律都是在实验的基础上总结出来的，在各自代表的范围内都是正确的实验规律。既然是实验规律，各自成立的条件局限于一些普通的而不是特殊的情况。这个困惑主要在于发生全反射的时候，折射光线能量消失，刚好就是光折射时光路可逆不再成立的临界情况。

三、当光路可逆遇上全反射的相同例子

当光路可逆遇上全反射的时候，让我们想到一个开始学习物理时常会想到的问题：当一个质量是m的物体在一恒力F的作用下，由静止做匀加速直线运动，速度会越来越大。但速度增大也是有限度的，牛顿运动规律在宏观低速时规律成立。

静电场与非静电场的问题：在高中物理的电场部分，学生都知道顺着电场线电势降落等静电场中常见的规律，但在学习电源尤其是电磁感应涉及的电源问题时，通常会涉及非静电场的问题，教师常见的做法是让学生简单地与电源相比，而没有深入地解释，学生通常遇到静电场中规律不能适用的问题，产生很多疑惑。

电子绕核运动轨道的稳定性问题：电子绕核运动是变化的电流，周围自然会形成电磁场，进而会向外辐射电磁波，能量会越来越少，最终电子将湮灭在核内。学生出现这样的疑惑时，就是教师可以进一步释疑的好机会。

在高中物理中，类似的问题还比较多，并不止于以上几种情况。

四、总结

当光路可逆遇上全反射，就像为我们打开了一扇窗户。它反映的是各种物理规律的使用范围的问题，也通常是近代物理和现当代物理之间联系的重要纽带。提出这样问题的学生具有一定的物理思维能力，教师应该为他们做好解释，强调物理规律总是相对正确的特点，为学生的发展做好铺垫。

（作者单位：湖北省荆州市文星中学）

推荐访问:全反射 可逆 遇上 光路