光杠杆

高超的想象力我们用力学原理证明光的折射原

发布时间:2022/8/17 18:52:24   
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在三蓝一棕看到一个有趣的节目:用力学证明光学问题,也许你听都没有听过,因为这是两个完全无关的领域,但其思路新颖,高超的想象力非常值得我们学习。以下是部分摘录:

两点之间直线最短,这是常识,但对于光而言路程虽然最短,但在水中消耗的时间太长,在水中走得很慢

所以需要寻找一条最佳路径,让光在空气中多花点时间,水中少花点时间,这条路径就会更快一点。

这样就需要在水和空气两个互相竞争的因素之间寻找一个平衡点

我们抛开书本上微积分的方法,用一种力学原理来解释下这种现象

学过力学的都知道:任何力学构造都会稳定在势能的最低点。物理学中非常重要

我们在光线经过的水和空气边界放一根杆子,杆子上套一个环可以自由滑动

然后从A点和B点分别连一根弹簧到这个环

弹簧的摆放位置就可以想成光从A点到B点有可能走的路径,在弹簧张力恒定的情况下,环就会来回滑动,寻找这个平衡点(这里的弹簧是理想化的,现实是不存在这样的弹簧的)

让弹簧的势能等于光线走过该路径所需的时间,只要弹力恒定,且与所在介质中的光速成反比

我们用弹簧将问题简化,要求出稳定状态,只要让各力平衡就行了,上面的弹簧有向左的分力。下面的弹簧有向右的分力,左右力抵消后,环就处于一个平衡状态

而左右分力相等,由此得出了斯涅尔定理这玩意

斯涅尔定律是说:θ的正弦值除以光速的结果,光从一种介质传播到另一种介质时保持不变。

以上摘自;三蓝一棕



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