第九章光的反射和折射·视觉 9.14看不见的别针

第九章光的反射和折射·视觉 9.14看不见的别针

　　把一个别针插在一块平的圆形软木上，然后把别针向下让软木浮在水盆里。假定这块软木不太大，而别针又好象有足够长，使软木不能遮住你的视线（图115），可是你无论怎样斜着头看，总不能看到别针。

　　为什么从别针上来的光线不能到达你的眼睛里呢？这是因为它们发生了物理学上所谓“全反射”的作用。

　　让我们来看这种现象是怎样形成的。

　　在图116里，我们可以看出光线从水进入空气（总之是从折射率比较大的介质进入折射率比较小的介质）的路线，以及跟这相反的路线。在光线从空气进入水的时候，它们会靠近那条法线；举例来说，依着跟法线成角度β的路线射入水里的光线，射进水里以后，就要依着比β角小的角度α的方向前进（图116Ⅰ，不过现在箭头所指的方向应该颠倒一下）。

　　可是在射来的光线掠过水面，几乎是跟法线成直角的方向射在水面上的时候，又该是怎样呢？它射入水里的路线跟法线所成的角度一定比直角小，是等于48.5°。射入水里的光线是不能依着跟法线成大于48.5°角的方向前进的。这个角对水来说就是临界角。你们以后如果想明白折射原理的许多出乎意料而又非常有趣的后果，就必须先把这个简单关系弄清楚。

　　现在我们已经知道，光线在一切可能的角度里射入水里的时候，到了水面以下都要挤在一个相当窄的圆锥体里，这个圆锥体的顶角是48.5＋48.5=97°。现在我们来看光线取相反方向从水进入空气的时候，进路是怎样的（图117）。按照光学定律，它们的路线跟上面说的完全相同。包含在上面说的97度的圆锥体里的一切光线，在进入空气的时候，就要沿着水面以上整个180°空间，依各种不同的角度散开。

　　那末，那些落在上面说的圆锥体以外的水底下的光线，都到哪里去了呢？原来它们都走不出水面，水面就象镜子一样，把它们全都反射回去了。一般说来，任何一条水底下的光线，如果依着比临界角（也就是48.5°）大的角和水面相遇，都不会被折射而要被反射。它们要象物理学家所说的那样“全反射”①。

　　假如鱼类能够研究物理学的话，光学里对它们说来最重要的一章应该是“全反射”，因为这种现象在它们的水底下的视觉里起着最重要的作用。

　　许多种鱼都有银白的颜色，这极可能跟水底下视觉的特点有关。按照动物学家的意见，这样的颜色就是鱼类适应盖在它们上面的水面颜色的结果：前面已经说过，在从下往上看的时候，水面由于“全反射”，很象一面镜子。在这样的背景前面，只有银白色的鱼才不容易被捕捉它们的水里的敌人发现。从水底下看世界

　　许多人都想不到，如果我们从水底下来看世界，世界会是怎样不平凡：它在观察者的眼里会变得差不多不能被认出来了。

　　设想你是在水底下，抬着头在看水面上的世界。那些在你头顶上浮着的云是一点也不会改变形状的：因为竖直的光线是不会折射的。可是所有其他物体，只要它们射出的光线成锐角地和水面相遇，它们的形象就会被歪曲：它们好象位置越低的被压缩得越紧光线和水面相遇所成的角度越小，挤得越利害。这也是可以理解的：水面上所见的世界既然全部都应该容纳在那个狭小的水底下的圆锥体里；一条180°的弧既然应该缩短到差不多一半，弯成一条97°的弧，那末形象也就自然要被歪曲了。从物体射出的光线如果用10°左右的角和水面相遇，物体在水里的像会被压缩得几乎认不出来了。可是最使你吃惊的是水面本身的形状：从水底下往上看的时候，它们完全不是平的，而是一个圆锥形！在你看起来，你是站在一个大漏斗的底部，而漏斗的壁是用比直角稍微大一些的角度（97°）彼此倾斜着的。这个圆锥体的上部边缘围着由红、黄、绿、蓝、紫等颜色组成的彩色圈。为什么会这样呢？白色的阳光是由各种颜色光组成的，每一种颜色光都有自己的折射率，因此也就有自己的“临界角”。就是因为这个缘故，从水底下往上观察的时候，物体也好象是围着虹彩的光圈了。

　　那末在这个包含着整个水面上世界的圆锥体的边缘以外，还可以看到些什么呢？那里展开着一片发光的水面，它象镜子一样，会反映水底下的各种物体。

　　对水底下的观察者说来，形状最特别的是部分浸在水里部分露在水面上的物体。让我们在河里插一根量水深浅的标杆（图120）。这时候，眼睛在水底下A点的观察者会看到些什么呢？我们现在把四周能被他看到的地方360°分成几个区，然后对每一个区分别进行研究。在视野1的界限里，如果河底的亮度足够的话，他能看到河底。在视野2里，他能毫不歪曲地看到标杆的在水面下的部分。在视野3里，他大约会看到标杆的同一部分的反映像，也就是标杆的浸在水里部分的倒影（请记住，这里所说的是“全反射”）。再高些，水底下的观察者会看见标杆的在水面上的部分但是它并不和水底下的部分相连接，而是移到高得多的位置上，跟下面的部分完全脱离开。不用说，观察者一定想不到这个悬在空中的标杆就是原先那段标杆的延长部分！这一部分的标杆显然已经大大地被压缩了，特别是它的下面一部分那里的几条刻度线显然已经十分接近了。河岸上被洪水淹没了一半的大树，从水底下看的时候，就应该象图121里所画的那种样子。

　　如果在竖标杆的地方立着一个人，那末从水里看出来，这个人的形状会跟图122里所画的一样。下水洗澡的人，在鱼的眼睛里就应当是这种样子的！在鱼看来，在浅滩上行走的人是被分成了两截的，变成了两个动物：上一截没有脚，下一截没有头，却有四只脚！当我们从水底下的观察者（鱼）的旁边走开的时候，我们的上半部分身体就会越下越缩短。等我们走了某些距离以后，几乎全部水面上的身体都会消失只剩下一个空悬着的人头……

　　这些不寻常的结论，我们能不能直接用实验来印证一下呢？可惜到了水里以后，即使我们能在水里睁开眼睛，也看不到很多东西。首先，我们在水里只能够逗留几秒钟，而在这些时间里水面是来不及恢复平静的；要透过动荡的水面来看清物体，当然是困难的。第二，前面已经讲过，水的折射率跟我们眼睛的透明部分的拆射率很少分别，因此在视网膜上出现的物像极不清楚，周围的一切看上去都会模糊不清（223页）。从潜水钟、潜水帽或是从潜水艇的玻璃窗里向外看，也是不能看到所要看的东西的。

　　在这些情况下，我们已经讲过，观察者虽然是在水底下，却跟“水下观察”的情况不一样：因为在这些情况下，光线在进入我们眼睛以前，先要穿过玻璃再到空气里，因此，它就要受到相反的拆射。受到相反的折射以后，光线或是恢复了原来的方向，或是取得了新的方向，但是总不会保留住它在水里所取的方向的。这就是为什么从水下室的玻璃窗向外看，也不能得到“水下观察”的正确概念。

　　不过我们没有必要亲身去水底下，从水里看水面上的世界。可以利用一种内部装满水的特别照像机来研究“水下观察”。这种照像机不用镜头，代替它的是一种中间钻着小孔的金属片。

　　很容易明白，假如光孔和感光底片之间的全部空间都装满水，那末外面世界映在底片上的像，就应当跟水底下的观察者所看到的像一样。用这种方法可以得到极有趣的照片，图114就是这样得到的照片之一。至于水底下的观察者眼里所看到的水面上的物体，形状所以会那样歪曲（例如直的铁路桥在照片上变成了弧形），我们在讲池的平底为什么看上去好象是凹形的时候，已经讲过了。

　　还有一种方法可以直接看到水底下的观察者眼里的水面上世界：可以把一面镜子沉在一池平静的水里，适当地使镜子倾斜，就可以在里面看到水面上物体的反映像。

　　利用这些观察法得到的结果，在一切细节方面，都可以证明上面那些理论上的见解是正确的。

　　由此可见，水里的眼睛和水外的物体之间的那一层透明的水，能够歪曲水面上世界的整个景象，给了它一种奇异的轮廓。陆栖动物来到水底下以后，一定会不认识它原来住过的那个世界从透明的水乡深处向上看的时候，这个世界已经大大地改变样子了。

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