折射
zhé shè
折射是光从一种介质进入另一种介质时因速度变化而发生弯曲的现象。
Definition
折射是光从一种介质进入另一种介质（比如从空气进入水）时发生弯曲的现象，因为光改变了速度，而这种速度的改变会改变它的方向；一根插在水杯里的吸管在水面处看起来是弯的，因为来自水下部分的光在到达眼睛之前发生了弯折，出于同样的原因，池塘里的鱼看起来比实际位置更靠近水面。光在进入较密的介质、速度变慢时向法线方向弯曲，在离开介质、速度变快时则远离法线弯曲，它的频率保持不变，而波长和速度会改变，透镜、棱镜、彩虹和海市蜃楼都依赖于这一现象。折射遵循斯涅尔定律，$n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$，其中折射率 $n = c/v$ 衡量一种介质使光减速的程度，这一定律源于费马原理以及波前在界面处的连续性；由于 $n$ 依赖于波长，在玻璃中蓝光比红光弯曲得更多，因此棱镜能把白光展开成一道光谱，对薄透镜而言，两个表面的折射共同产生了透镜制造者公式和薄透镜关系 $1/f = 1/d_o + 1/d_i$。
Example
光在空气中以 $3.00 \times 10^8\ \text{m/s}$ 传播，但在水中只有 $2.25 \times 10^8\ \text{m/s}$，因此一束以 $45^\circ$（相对法线）射入泳池的光，会在水中弯折到约 $32^\circ$，而竖直射入的光束会减速却不发生弯折。光从空气以 $45^\circ$ 射入水（$n = 1.33$）时，折射为 $\sin\theta_2 = \sin 45^\circ / 1.33 \approx 0.532$，因此 $\theta_2 \approx 32.1^\circ$；在冕牌玻璃中，红光（$656\ \text{nm}$）的 $n = 1.514$，蓝光（$486\ \text{nm}$）的 $n = 1.524$，一束 $45^\circ$ 的光分别折射到 $27.83^\circ$ 和 $27.64^\circ$，相差 $0.19^\circ$，棱镜的第二个表面随后把这个差距进一步放大。
Key Insight
折射使光弯曲，是因为光束的一侧先于另一侧减速，就像购物车的一个轮子滚上草地时会偏转一样：没有角度差，就没有偏转。一颗雨滴里把折射、反射和色散全部压缩在了一起：光弯折进入雨滴，在背面反射，再次弯折离开，红光在与反日点约 $42^\circ$ 处射出，紫光则在 $40^\circ$ 处射出，因此每一位观察者看到的彩虹，都是由一组不同的雨滴造就的、专属于他自己的彩虹。