不是说光速不变吗?在水中不就“变慢”了吗?
光在从一种介质进入到另一种介质的过程中传播速度会发生变化,那么请问这个过程中光速是否是突变?光传播速度改变的原理又是什么?
答:光进入介质速度会改变,可以用折射率来描述。但本质上光这种电磁波的速度依然是真空中的光速,而介质中变化的光速只是一种波叠加的等效效果。当光在介质中传播时,介质中的电荷会受到光的电场(磁场)的驱动,将以相同的频率来回摆动,从而辐射出新的电磁波。该电磁波和原光波频率相同,但是通常具有相位延迟,由于受迫振荡的电子不能及时跟上光场的驱动力。
以下基于偶极子的谐振子模型来讨论介质对光的作用,假设介质中电子被束缚在固定原子周围,在光场下发生位移,同时电子受到回复力试图回到平衡位置,则电子位移x满足微分方程。计算可得到方程的解,从而可得含有N个原子的介质的极化强度为。由电磁学相关公式,极化强度满足公式。所以可以得到折射率的表达式。介质中光振动满足。z为光传播方向位移,c为光速,所以光速变慢为c/n。
介质中的光波是原始波加上介质内所有电荷辐射的新电磁波的叠加效果。当原始光波和电荷辐射波叠加后,得到相位延迟的叠加波,当光波的频率不变时,光波的波长由于相位延迟而被压缩了,光经过一个周期的时间经过的距离变短了,所以得到光在介质中的表观波速变慢了。