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光的折射是光线从一种介质进入另一种介质时改变传播方向的现象。斯涅尔定律描述了这一现象的数学关系：第一介质折射率乘以入射角正弦值等于第二介质折射率乘以折射角正弦值。当光从空气进入水中时，由于水的折射率大于空气，光线会向法线弯曲。
透镜是利用光的折射原理制成的光学元件。凸透镜能够会聚平行光线，其成像规律由透镜方程描述。当物体位于不同位置时，透镜会形成不同性质的像：物距大于二倍焦距时成倒立缩小实像，物距在一倍到二倍焦距间成倒立放大实像，物距小于焦距时成正立放大虚像。
光纤通信基于全反射原理工作。光纤由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。当光信号以大于临界角的角度入射到纤芯与包层的界面时，会发生全反射，使光信号在纤芯中传播而不会泄漏到包层。这种传输方式具有损耗小、传输距离远、抗干扰能力强等优点，是现代通信技术的重要基础。
三角棱镜能够将白光分解成不同颜色的光谱，这是由于不同波长的光在介质中具有不同的折射率，称为色散现象。根据色散方程，折射率与波长的平方成反比关系。当白光进入棱镜时，红光偏折最小，紫光偏折最大，从而形成连续的彩色光谱。这一原理广泛应用于光谱仪、分光镜等光学测量设备中。
复合显微镜通过物镜和目镜的组合实现高倍放大。物镜首先将样品放大形成中间实像，然后目镜将中间像进一步放大成虚像。总放大率等于物镜放大率与目镜放大率的乘积。显微镜的分辨率由数值孔径决定，数值孔径越大，能分辨的细节越小。这种光学系统广泛应用于生物学、医学和材料科学研究中。