折射现象的本质（光为什么会折射，如何折射？）

光线从一种介质进入另一种介质的时候，会发生折射现象，在很多人看来，这是神奇的大自然在作怪。的确很奇怪，为什么光在进入新的介质时不保持原来的传播方向，而是选择一条曲折的路线呢。这么想的人，也许对这样的回答会感到满意：在本质上，光经过介质交接处所遇到的情况，就像一队齐步前行的士兵，从干燥的路面进入一片泥地时经历的情形一样。19世纪著名的天文学家和物理学家约翰.赫歇尔就是这样解释光的折射现象的。

请您想象一下，有一队士兵正行进在一个这样的地区，这个地区被一条直线分为两个区域，其中一个区域平坦、光滑，易于行走，而另外一个区域凸凹不平，所以士兵行走艰难，速度不会太快。假设这个横队与这条分界线并不是平行的，而是成某一个角度，这样，这些士兵就不能同时走到分界线，而是先后到达。每个士兵在跨过分界线后速度都会马上下降，不能像前面走得那么快了，所以，就不能再与横队中没有跨过分界线的士兵保持一条直线上，而是逐渐落后于这条线了。

因为每个士兵在跨越分界线时都会遇到同样的情形，所以如果他们不破坏队形，不散开，而是继续保持整齐的队列前进，那么跨过了分界线的部分队伍不可避免地要落于其余的部分，因此队列的两段就会在与分界线的交点上形成一个钝角。因为士兵们必须齐步走，也不能够抢先，这就使每个士兵都会按照跟新横队成直角的方向前进，因此士兵越过分界线以后的行进路线具有了新的特征，第一，与新横队垂直，第二，行进的距离与在没有降速前的行进距离的比值，正好等于现在的行进速度和原来的行进速度的比值。

我们自己也可以在桌子上直观地再现这个模拟光线折射的小实验。用桌布盖住一半的桌面（图109），把桌子微微倾斜，然后把装在一根轴上的一对小轮子（比如，从已经坏了的儿童火车或者其他玩具上拆下来的车轮）放在桌面上，让它向下滚。如果轮子的行进方向与桌布边缘成直角，则行进路线是不会发生偏转的。在这种情况下，您演示的光学定律是：垂直射向介质分界面的光线不会产生折射。但是如果轮子的行进方向与桌布边成斜角，那么行进路线在桌布边缘就会发生偏转，也就是在速度不同的介质交界处发生偏转。我们在这里不难发现，当轮子从滚动速度比较快的那部分桌面（没有桌布）进入到滚动速度比较慢的那部分桌面（有桌布）时，行进路线（“光线”）的方向是更接近“法线（分界线的垂线）”的。在相反的情况下，会远离这条法线。

图109 用以解释光的折射现象的实验

从这里，可以引申出一个关于光折射现象的重要结论：光产生折射，是由于光在两种不同介质中的传播速度不同。速度相差越多，折射就越大；反映光折射程度的所谓“折射率”，就是这两个速度的比值。这时，如果您看到光从空气进入水中的折射率为4/3时，您就会知道了，光在空气中的传播速度，大约是在水中速度的1.3倍。

从这里还可以得出光传播的另外一个特性。如果在反射的时候光线走的是最短路径，那么在折射的时候它走的就是最快路径：除了这条曲折路线之外，任何其他方向都不能使光线这么快到达 “目的地”。