第九章光的反射和折射·視覺 9.14看不見的別針

　　把一個(gè)別針插在一塊平的圓形軟木上，然后把別針向下讓軟木浮在水盆里。假定這塊軟木不太大，而別針又好象有足夠長，使軟木不能遮住你的視線（圖115），可是你無論怎樣斜著頭看，總不能看到別針。

　　為什么從別針上來的光線不能到達(dá)你的眼睛里呢？這是因?yàn)樗鼈儼l(fā)生了物理學(xué)上所謂“全反射”的作用。

　　讓我們來看這種現(xiàn)象是怎樣形成的。

　　在圖116里，我們可以看出光線從水進(jìn)入空氣（總之是從折射率比較大的介質(zhì)進(jìn)入折射率比較小的介質(zhì)）的路線，以及跟這相反的路線。在光線從空氣進(jìn)入水的時(shí)候，它們會(huì)靠近那條法線；舉例來說，依著跟法線成角度β的路線射入水里的光線，射進(jìn)水里以后，就要依著比β角小的角度α的方向前進(jìn)（圖116Ⅰ，不過現(xiàn)在箭頭所指的方向應(yīng)該顛倒一下）。

　　可是在射來的光線掠過水面，幾乎是跟法線成直角的方向射在水面上的時(shí)候，又該是怎樣呢？它射入水里的路線跟法線所成的角度一定比直角小，是等于48.5°。射入水里的光線是不能依著跟法線成大于48.5°角的方向前進(jìn)的。這個(gè)角對水來說就是臨界角。你們以后如果想明白折射原理的許多出乎意料而又非常有趣的后果，就必須先把這個(gè)簡單關(guān)系弄清楚。

　　現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，光線在一切可能的角度里射入水里的時(shí)候，到了水面以下都要擠在一個(gè)相當(dāng)窄的圓錐體里，這個(gè)圓錐體的頂角是48.5＋48.5=97°。現(xiàn)在我們來看光線取相反方向從水進(jìn)入空氣的時(shí)候，進(jìn)路是怎樣的（圖117）。按照光學(xué)定律，它們的路線跟上面說的完全相同。包含在上面說的97度的圓錐體里的一切光線，在進(jìn)入空氣的時(shí)候，就要沿著水面以上整個(gè)180°空間，依各種不同的角度散開。

　　那末，那些落在上面說的圓錐體以外的水底下的光線，都到哪里去了呢？原來它們都走不出水面，水面就象鏡子一樣，把它們?nèi)�都反射回去了。一般說來，任何一條水底下的光線，如果依著比臨界角（也就是48.5°）大的角和水面相遇，都不會(huì)被折射而要被反射。它們要象物理學(xué)家所說的那樣“全反射”①。

　　假如魚類能夠研究物理學(xué)的話，光學(xué)里對它們說來最重要的一章應(yīng)該是“全反射”，因?yàn)檫@種現(xiàn)象在它們的水底下的視覺里起著最重要的作用。

　　許多種魚都有銀白的顏色，這極可能跟水底下視覺的特點(diǎn)有關(guān)。按照動(dòng)物學(xué)家的意見，這樣的顏色就是魚類適應(yīng)蓋在它們上面的水面顏色的結(jié)果：前面已經(jīng)說過，在從下往上看的時(shí)候，水面由于“全反射”，很象一面鏡子。在這樣的背景前面，只有銀白色的魚才不容易被捕捉它們的水里的敵人發(fā)現(xiàn)。從水底下看世界

　　許多人都想不到，如果我們從水底下來看世界，世界會(huì)是怎樣不平凡：它在觀察者的眼里會(huì)變得差不多不能被認(rèn)出來了。

　　設(shè)想你是在水底下，抬著頭在看水面上的世界。那些在你頭頂上浮著的云是一點(diǎn)也不會(huì)改變形狀的：因?yàn)樨Q直的光線是不會(huì)折射的。可是所有其他物體，只要它們射出的光線成銳角地和水面相遇，它們的形象就會(huì)被歪曲：它們好象位置越低的被壓縮得越緊光線和水面相遇所成的角度越小，擠得越利害。這也是可以理解的：水面上所見的世界既然全部都應(yīng)該容納在那個(gè)狹小的水底下的圓錐體里；一條180°的弧既然應(yīng)該縮短到差不多一半，彎成一條97°的弧，那末形象也就自然要被歪曲了。從物體射出的光線如果用10°左右的角和水面相遇，物體在水里的像會(huì)被壓縮得幾乎認(rèn)不出來了。可是最使你吃驚的是水面本身的形狀：從水底下往上看的時(shí)候，它們完全不是平的，而是一個(gè)圓錐形！在你看起來，你是站在一個(gè)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°）彼此傾斜著的。這個(gè)圓錐體的上部邊緣圍著由紅、黃、綠、藍(lán)、紫等顏色組成的彩色圈。為什么會(huì)這樣呢？白色的陽光是由各種顏色光組成的，每一種顏色光都有自己的折射率，因此也就有自己的“臨界角”。就是因?yàn)檫@個(gè)緣故，從水底下往上觀察的時(shí)候，物體也好象是圍著虹彩的光圈了。

　　那末在這個(gè)包含著整個(gè)水面上世界的圓錐體的邊緣以外，還可以看到些什么呢？那里展開著一片發(fā)光的水面，它象鏡子一樣，會(huì)反映水底下的各種物體。

　　對水底下的觀察者說來，形狀最特別的是部分浸在水里部分露在水面上的物體。讓我們在河里插一根量水深淺的標(biāo)桿（圖120）。這時(shí)候，眼睛在水底下A點(diǎn)的觀察者會(huì)看到些什么呢？我們現(xiàn)在把四周能被他看到的地方360°分成幾個(gè)區(qū)，然后對每一個(gè)區(qū)分別進(jìn)行研究。在視野1的界限里，如果河底的亮度足夠的話，他能看到河底。在視野2里，他能毫不歪曲地看到標(biāo)桿的在水面下的部分。在視野3里，他大約會(huì)看到標(biāo)桿的同一部分的反映像，也就是標(biāo)桿的浸在水里部分的倒影（請記住，這里所說的是“全反射”）。再高些，水底下的觀察者會(huì)看見標(biāo)桿的在水面上的部分但是它并不和水底下的部分相連接，而是移到高得多的位置上，跟下面的部分完全脫離開。不用說，觀察者一定想不到這個(gè)懸在空中的標(biāo)桿就是原先那段標(biāo)桿的延長部分！這一部分的標(biāo)桿顯然已經(jīng)大大地被壓縮了，特別是它的下面一部分那里的幾條刻度線顯然已經(jīng)十分接近了。河岸上被洪水淹沒了一半的大樹，從水底下看的時(shí)候，就應(yīng)該象圖121里所畫的那種樣子。

　　如果在豎標(biāo)桿的地方立著一個(gè)人，那末從水里看出來，這個(gè)人的形狀會(huì)跟圖122里所畫的一樣。下水洗澡的人，在魚的眼睛里就應(yīng)當(dāng)是這種樣子的！在魚看來，在淺灘上行走的人是被分成了兩截的，變成了兩個(gè)動(dòng)物：上一截沒有腳，下一截沒有頭，卻有四只腳！當(dāng)我們從水底下的觀察者（魚）的旁邊走開的時(shí)候，我們的上半部分身體就會(huì)越下越縮短。等我們走了某些距離以后，幾乎全部水面上的身體都會(huì)消失只剩下一個(gè)空懸著的人頭……

　　這些不尋常的結(jié)論，我們能不能直接用實(shí)驗(yàn)來印證一下呢？可惜到了水里以后，即使我們能在水里睜開眼睛，也看不到很多東西。首先，我們在水里只能夠逗留幾秒鐘，而在這些時(shí)間里水面是來不及恢復(fù)平靜的；要透過動(dòng)蕩的水面來看清物體，當(dāng)然是困難的。第二，前面已經(jīng)講過，水的折射率跟我們眼睛的透明部分的拆射率很少分別，因此在視網(wǎng)膜上出現(xiàn)的物像極不清楚，周圍的一切看上去都會(huì)模糊不清（223頁）。從潛水鐘、潛水帽或是從潛水艇的玻璃窗里向外看，也是不能看到所要看的東西的。

　　在這些情況下，我們已經(jīng)講過，觀察者雖然是在水底下，卻跟“水下觀察”的情況不一樣：因?yàn)樵谶@些情況下，光線在進(jìn)入我們眼睛以前，先要穿過玻璃再到空氣里，因此，它就要受到相反的拆射。受到相反的折射以后，光線或是恢復(fù)了原來的方向，或是取得了新的方向，但是總不會(huì)保留住它在水里所取的方向的。這就是為什么從水下室的玻璃窗向外看，也不能得到“水下觀察”的正確概念。

　　不過我們沒有必要親身去水底下，從水里看水面上的世界。可以利用一種內(nèi)部裝滿水的特別照像機(jī)來研究“水下觀察”。這種照像機(jī)不用鏡頭，代替它的是一種中間鉆著小孔的金屬片。

　　很容易明白，假如光孔和感光底片之間的全部空間都裝滿水，那末外面世界映在底片上的像，就應(yīng)當(dāng)跟水底下的觀察者所看到的像一樣。用這種方法可以得到極有趣的照片，圖114就是這樣得到的照片之一。至于水底下的觀察者眼里所看到的水面上的物體，形狀所以會(huì)那樣歪曲（例如直的鐵路橋在照片上變成了弧形），我們在講池的平底為什么看上去好象是凹形的時(shí)候，已經(jīng)講過了。

　　還有一種方法可以直接看到水底下的觀察者眼里的水面上世界：可以把一面鏡子沉在一池平靜的水里，適當(dāng)?shù)厥圭R子傾斜，就可以在里面看到水面上物體的反映像。

　　利用這些觀察法得到的結(jié)果，在一切細(xì)節(jié)方面，都可以證明上面那些理論上的見解是正確的。

　　由此可見，水里的眼睛和水外的物體之間的那一層透明的水，能夠歪曲水面上世界的整個(gè)景象，給了它一種奇異的輪廓。陸棲動(dòng)物來到水底下以后，一定會(huì)不認(rèn)識它原來住過的那個(gè)世界從透明的水鄉(xiāng)深處向上看的時(shí)候，這個(gè)世界已經(jīng)大大地改變樣子了。

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