几何光学基本定律之一折射定律

凭借日常经验，人类很早就积累了许多关于光的知识。折射定律是通过反复试验得出来的光折射的规律，也是几何光学的最重要基本定律之一。17世纪，这一定律由荷兰数学家斯涅耳发现，为几何光学的发展奠定了理论基础。

光的折射，古代科学家也对此有过研究，甚至试图确定光的折射定律。2世纪，古希腊科学家托勒密做了一个关于光的折射的实验：在一个圆盘上装两把能绕盘心旋转的尺子，将圆盘的一半浸入水中。让光由空气射入水中，就得到它在水中的折射光线，转动两把尺子，使它们分别与入射光线和折射光线重合。然后取出圆盘，按尺子的位置刻下入射角和折射角。

尽管托勒密的实验方法是正确的，实验结果相当精确，与现代值几乎没有多大差别。但是由于他测量得不够精确，得出了一个错误的结论：折射角与入射角成正比。因此，托勒密错过了一次发现折射定律的机会。

托勒密

到了17世纪初，伽利略制成了望远镜，并利用它进行了很多科学观测。这些新的发现激励了德国人开普勒对光的折射现象进行深入的研究。在汇集前人光学知识的基础上，开普勒断定托勒密关于折射规律的结论是不正确的。他从理论上加以探索，结果得出了折射定律。虽然开普勒关于折射定律的研究和修正比托勒密前进了一步，但还没能得出正确的折射定律。1611年，开普勒把他的发现写进了《折射光学》一书。

事实上，正确的折射定律是荷兰数学家威里布里德·斯涅尔和法国数学家笛卡儿两个人建立的。

1591年，斯涅耳出生于荷兰莱顿，他曾在莱顿大学担任过数学教授。1621年，在开普勒的研究结果的启示下，斯涅耳通过实验确立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律；当时斯涅耳注意到了水中的物体看起来像漂浮的现象，并试图揭开其中的奥秘，由此便引出了他对折射现象的研究。

这是一束光从空气射入玻璃，再从玻璃射出时所经过的路线。

斯涅耳做了进一步的实验。在实验中，他应用开普勒的方法发现：从空气到水里并落在容器垂直面上的一条光线在水中所走的长度，同该光线如按未偏离其原始方向而本来会通过的路程成一定的比。他指出：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，入射光线和折射光线分别位于法线两侧，入射角的正弦和折射角的正弦的比值对于一定的两种媒质来说是一个常数。

这一折射定律是从实验中得到的，虽然正确，但斯涅耳却从未正式公布过。1626年，就在斯涅耳去世不久，惠更斯和伊萨克·沃斯两人在审查他遗留的手稿时，才看到他关于发现折射定律的记载。

十多年后，法国数学家笛卡儿进一步完善了斯涅耳的光的折射定律，第一次给出了折射定律的现代表述形式。他提出了光就是由某种介质传递压力的模型，从数学上导出了用正弦函数表述的折射定律。

传统上认为，斯涅尔是首次从物理上阐明了光的折射定律，而笛卡儿则是第一次给出了它的数学表式。因此，折射定律被称为斯涅尔定律，也有人称为笛卡儿定律。

学海拾贝

约在公元前3世纪，古希腊著名数学家欧几里得在《光学》一书中明确地阐述了光的反射定律，并用这个定律解释了一系列观察到的自然现象，其中包括光从平面镜和球面镜上的反射现象。