把一根别针插在一块平的圆形软木上。然后,让软木块浮在水盆里,别针向下。如果软木块足够宽,那么不管你从什么角度看,都是看不到别针的——尽管它看起来好像很长,不至于会让软木块遮住视线(图)。可是,我们的眼睛为什么收不到别针射出的光线呢?
图 别针实验示意图。
因为这些光线发生了物理学上称为“全反射”的现象。
图 光线从水中射入空气的折射情况示意图。图Ⅱ:光线和水面相交时,它与法线之间的角度等于临界角,光线从水中射出后,沿着水面方向射出。图Ⅲ:全反射情况。
图显示了光从水中进入到空气中(光线从折射率较大的介质进入到折射率较小的介质,路线基本都是这样)的路线和相反的路线。从空气进入水中时,光线会离“法线”比较近。例如,当光线和法线成β角时,光线在进入水中后,会沿着比β角小的α角方向前进(图 I)。
如果光线是沿着与法线相近的线路呈直角射到水面上的话,情况又是如何?光线射入水的角度要小于直角,而且是不可能大于48.5°的。对于水来说,48.5°就是临界角。我们只有先弄清了这些简单的关系,才能理解后面那些神奇又有趣的光折射现象。
现在,我们理解了,光线在以所有可能的角度进入水里后,都会汇集在一个狭窄的圆锥体里,圆锥体的顶角是48.5°+48.5°=97°。我们再来看一下光线从水中进入空气的情况(图)。
图 当从P点射出的光线与法线之间的夹度大于临界角(水的临界角是48.5°)时,光线是无法从水中射入空气中的,而是发生全反射现象。
依据光学原理,光线的路线将和上面介绍的一样。97°圆锥体里面的所有光线,在进入空气时,会沿着水面上180°的空间,从不同的角度分散开。
那么,圆锥体之外的光线去哪儿了呢?它们根本走不出水面,被像镜子一样的水面全部反射回去了。总的来说,当水下光线与水面相遇角度大于临界角48.5°时,就不会发生折射,只会发生反射了。在物理学上,这个现象被称为“ 全反射 ”。
如果鱼类也懂物理学,那么它就会知道全反射现象对它们起着至关重要的作用。
许多鱼都是银白色的,这和生物体在水下的视觉特征有关。动物学家们认为:鱼类为适应水面颜色,最终形成了银白色。因为只有银白色的鱼在这样的背景下才很难被水下敌人发现。