假如你站在海邊，低頭看腳下的水，你會(huì)發(fā)覺(jué)水是透明的，反射不是非常強(qiáng)烈；假如你看遠(yuǎn)處的水面，你會(huì)發(fā)覺(jué)水并不是透明的，但反射卻顯得強(qiáng)烈。這是哪些情況？
其實(shí)人類(lèi)仍然不清楚光的本質(zhì)是哪些，但對(duì)于光的現(xiàn)象卻始終關(guān)注有加，在觀察光的反射與折射現(xiàn)象中，得到了一些規(guī)律性的內(nèi)容，最終總結(jié)歸納出了光的反射定理與折射定理。
在古時(shí)中國(guó)，最早的表述應(yīng)當(dāng)是墨子，他在《墨子》一書(shū)中與光學(xué)相關(guān)的內(nèi)容有八條，其中四條與光的反射、平面鏡成像有關(guān)。但實(shí)際上，墨子并沒(méi)有提出光的反射定理。
墨子：不關(guān)我的事!
而在西方，古埃及時(shí)代就有了對(duì)光學(xué)的研究。非常是與光的反射、折射相關(guān)的幾何光學(xué)發(fā)展比較充分。不過(guò)，到底是哪位先得到這種規(guī)律早已沒(méi)有準(zhǔn)確的推論。有人覺(jué)得入射角和反射角相等的知識(shí)是柏拉圖學(xué)派發(fā)覺(jué)的；也有人覺(jué)得托勒密（90—168）是最先認(rèn)識(shí)到入射角和反射角相等；
柏拉圖：俺是最早曉得入射角和反射角是相等的。
托勒密：不是說(shuō)我才是最先認(rèn)識(shí)到入射角和反射角相等的嗎？
其實(shí)，比較準(zhǔn)確的是歐幾里德，在他的專(zhuān)著《反射光學(xué)》中記錄了他對(duì)反射現(xiàn)象的研究。約公元前280年，歐幾里德借助幾何學(xué)上嚴(yán)密的公理化體系完善了幾何光學(xué)，他在《反射光學(xué)》一書(shū)中借助幾何知識(shí)確定了光的直進(jìn)性和反射定理，表述了入射角等于反射角，這是最早的關(guān)于反射定理的敘述。他把這個(gè)定理用于平面鏡和球面鏡的成像上。歐幾里德發(fā)覺(jué)了凹面鏡的聚焦作用，并假設(shè)其焦點(diǎn)在球心或球心與鏡面之間。
歐幾里德：俺啥也不說(shuō)，大家自己去讀一下我所著的《反射光學(xué)》吧。
后來(lái)盧克萊修用原子論的觀點(diǎn)描述了反射定理，而亞歷山大里亞的希隆早已進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到光線所走的光程最短光的折射定律誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的，并由此出發(fā)論證了入射角和反射角相等。
在傳說(shuō)中，阿基米德使用能反射太陽(yáng)光的穿衣鏡火燒了羅馬人的船艦。這是最早借助了光的反射的故事，而這個(gè)能反射太陽(yáng)光的穿衣鏡很可能就是凹面鏡，由于只有凹面鏡才能形成聚光作用，達(dá)到火燒船艦的目的，但其原理遵守的依然是反射定理。
阿基米德：我只是借助光的反射而已，懶得和大家爭(zhēng)。
不過(guò)，上述史實(shí)只能說(shuō)明，西班牙人發(fā)覺(jué)了反射角和入射角相等，但她們并沒(méi)有完整的展示出光的反射定理。所以，對(duì)于反射定理的發(fā)覺(jué)并沒(méi)有完，不僅兩角相等外，還有逐漸建立的過(guò)程。
阿爾·哈增：哈嘍，我來(lái)增一增，所以我的大名叫哈增!
到公元10世紀(jì)—11世紀(jì)，阿拉伯學(xué)者阿爾·哈增著有《光學(xué)集錦》一書(shū)，對(duì)光的反射進(jìn)行了認(rèn)真的研究討論。并進(jìn)一步地強(qiáng)調(diào)，在反射現(xiàn)象中，除反射角等于入射角外，反射光線必在入射光線與界面法線所確定的平面內(nèi)，因而在建立光的反射定理中添加了重要的一筆。
1657年，丹麥物理家費(fèi)馬(1601～1665)從光程最短原理又一次證明了反射定理中兩角相等的正確性。
費(fèi)馬：大家說(shuō)我的工作和希隆是相同的？拋你一個(gè)大定律要不要!
日本土木工程兼化學(xué)學(xué)家菲涅耳(1788～1827)發(fā)覺(jué)了在不同位置觀察到河水反射情況的不同，得到反射/折射與視點(diǎn)角度之間的關(guān)系，從而提出了現(xiàn)代所通用光的反射定理：
反射光線與入射光線與法線在同一平面上；反射光線和入射光線分居在法線的一側(cè)；反射角等于入射角。
這個(gè)定理可歸納為：“三線共面，兩線分居，兩角相等”。
正由于菲涅耳的貢獻(xiàn)，光的反射又稱(chēng)為菲涅爾反射。至此，光的反射定理告一段落。
與光的反射一樣，折射也是從日常生活中所觀察到的現(xiàn)象開(kāi)始。
亞里士多德曾直接提出過(guò)光的折射問(wèn)題：為何插入水底的木棍似乎是扭斷的。
亞里士多德之問(wèn)：為何插入水底的木棍似乎是扭斷的？
作為天文學(xué)家的托勒密在對(duì)天體觀測(cè)中發(fā)覺(jué)了光的折射現(xiàn)象。他對(duì)光的折射的實(shí)驗(yàn)研究更進(jìn)了一步，他設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了從空氣射入水底的光線的一系列角度值。托勒密測(cè)到的數(shù)據(jù)是足夠精確的，與現(xiàn)代檢測(cè)值幾乎沒(méi)有多大的差異，并且托勒密可惜的是無(wú)法從正確的數(shù)據(jù)中發(fā)覺(jué)正確的規(guī)律，僅僅據(jù)此提出折射角與入射角成反比的推論。實(shí)際上這一推論只有在入射角很小時(shí)才適用，所以他并沒(méi)有為此而發(fā)覺(jué)光的折射定理。
托勒密留給我們的教訓(xùn)是：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確處理在發(fā)覺(jué)規(guī)律中有著非常重要的位置。
托勒密：別提我，我只想靜靜。
時(shí)間又過(guò)了一千多年。日本人開(kāi)普勒(1571～1630)在匯集前人光學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，推斷托勒密關(guān)于折射規(guī)律的推論是不正確的。開(kāi)始時(shí)，他想通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)覺(jué)折射定理，但實(shí)驗(yàn)最后沒(méi)有成功，于是，他轉(zhuǎn)向從理論上加以探求。他得出的折射定理是：折射角由兩部份組成，一部份反比于入射角，另一部份反比于入射角的正割；只有在入射角小于30°時(shí)，入射角和折射角成反比的關(guān)系才創(chuàng)立，其實(shí)，開(kāi)普勒關(guān)于折射定理的研究和修正比托勒密前進(jìn)了一步。但還沒(méi)能給出正確的折射定理。
開(kāi)普勒：我不僅是“天空立法者”外，還是實(shí)驗(yàn)光學(xué)的奠基人!
辛運(yùn)總算降臨到法國(guó)物理家威里布里德·斯涅耳(1580～1626)的頭頂。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上光的折射定律誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的，他于1621年確定在光的折射過(guò)程中入射角與折射角的關(guān)系，因而提出了幾何光學(xué)的基本定理之一的光的折射定理：
光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)的平滑界面時(shí)，一部份光被界面反射，另一部份光透過(guò)界面在另一種介質(zhì)中折射，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別坐落法線的外側(cè)。入射角與折射角的余割之比為常數(shù)，且此常數(shù)跟入射與折射介質(zhì)有關(guān)。
熟悉的光的反射與折射
在小學(xué)，不要求兩個(gè)角的定量關(guān)系，且由于在空氣中的角度比在其他介質(zhì)中的角度要大，所以把光的折射定理歸納為：“三線共面，兩線分居，空角大”。
斯涅耳的這一折射定理(俗稱(chēng)斯涅耳定理)是從實(shí)驗(yàn)中得到的，未做任何的理論推論，即使正確，但卻未曾即將公布過(guò)。只是后來(lái)惠更斯和伊薩克·沃斯三人在審查他遺留的原稿時(shí)，才見(jiàn)到這方面的記載。
首次把折射定理敘述為明天的這些方式的是笛卡兒(1596～1650)，他沒(méi)做任何的實(shí)驗(yàn)，只是從一些假定出發(fā)，并從理論上推導(dǎo)入這個(gè)定理的。笛卡兒在他的《屈光學(xué)》(1637)一書(shū)中闡述了假定在光密媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)速率較快，按照這一假定，對(duì)該定理進(jìn)行了推論，提出了折射定理的現(xiàn)代方式，即入射角與折射角的余弦之比為常數(shù)。
笛卡兒：是由于我沒(méi)有做實(shí)驗(yàn)，這個(gè)定理就不叫笛卡兒定理？不是思索比實(shí)驗(yàn)更重要嗎？
1657年，費(fèi)馬在證明了反射中兩角相等的同時(shí)，運(yùn)用極值原理推出了光的反射定理和折射定理的正確性。
其實(shí)，光具有可逆性的現(xiàn)象也是早就被發(fā)覺(jué)了，所以在光的反射和折射現(xiàn)象中，光路都是可逆的。
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