Невидимая булавка

Воткните булавку в плоский пробковый кружок и положите его булавкой вниз на поверхность воды в миске. Если пробка не чересчур широка, то, как бы ни наклоняли вы голову, вам не удастся увидеть булавку - хотя, казалось бы, она достаточно длинна, чтобы пробка не заслоняла ее от вас (рис.116).

Рис.116. Опыт с булавкой, невидимой в воде

Почему же лучи света не доходят от булавки до вашего глаза? Потому что они претерпевают то, что в физике называется "полным внутренним отражением".

Напомним, в чем состоит это явление.

Рис.117. Преломление лучей при переходе из воздуха в воду

На рис.117 можно проследить за ходом лучей, переходящих из воздуха в воду (вообще из среды менее преломляющей в среду более преломляющую) и обратно. Когда лучи идут из воздуха в воду, то они приближаются к "перпендикуляру падения"; например, луч, падающий на воду под углом β к перпендикуляру к плоскости падения, вступает в нее уже под углом α, который меньше, чем β (рис.117, а).

Но что бывает, когда падающий луч, скользя по поверхности воды, падает на водную поверхность почти под прямым углом к перпендикуляру? Он вступает в воду под углом, меньшим чем прямой, а именно под углом всего в 48,5°. Под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5°, луч вступить в воду не может; это для воды "предельный" угол (рис. 117, б).

Необходимо уяснить себе эти несложные соотношения, чтобы понять дальнейшие следствия закона преломления.

Мы сейчас узнали, что лучи, падающие на воду под всевозможными углами, сжимаются под водой в довольно тесный конус с углом раствора 48,5°+48,5°=97° (рис. 117, в).

Рис.118. Преломление лучей при переходе из воды в воздух

Проследим теперь за ходом лучей, идущих обратно (из точки Р) - из воды в воздух (рис 118). По законам оптики, пути будут те же самые, и все лучи, заключенные в упомянутом 97-градусном конусе, выйдут в воздух под различными углами, распределяясь по всему 180-градусному пространству над водой.

Но куда же денется подводный луч, находящийся вне упомянутого конуса? Оказывается, он не выйдет вовсе из-под воды, а отразится целиком от ее поверхности, как от зеркала. Вообще всякий подводный луч ⁷, встречающий поверхность воды под углом, большим "предельного" (т. е. большим 48,5°), не преломляется, а отражается: он претерпевает, как говорят физики, "полное внутреннее отражение"^*.

⁷ (Здесь речь идет о видимом свете. Вообще говоря, показатель преломления воды, как и других веществ, зависит от длины волны (это явление называется дисперсией). Как следствие этого предельный угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, не один и тот же для разных длин волн, но для видимого света при отражении на границе вода - воздух этот угол изменяется меньше чем на 1°.)

^* (Отражение называется в данном случае полным потому, что здесь отражаются все падающие лучи, между тем как даже самое лучшее зеркало (из полированного магния или серебра) отражает только часть падающих на него лучей, остальную же поглощает. Вода при указанных условиях является идеальным зеркалом.)

Если бы рыбы изучали физику, то главнейшим отделом оптики было бы для них учение о "внутреннем отражении", так как в их подводном зрении оно играет первостепенную роль ⁸.

⁸ (Существенным разделом "рыбьей" оптики было бы учение о большом кругозоре рыб вне воды, т. е. широком поле зрения в воздухе, облегчающем рыбам наблюдать все пространство вне воды. Об этой особенности зрения рыб следует помнить любителям рыбной ловли.)

В связи с особенностями подводного зрения находится, по всей вероятности, то обстоятельство, что многие рыбы имеют серебристую окраску. По мнению зоологов, такая окраска есть результат приспособления рыб к цвету расстилающейся над ними водной поверхности: при наблюдении снизу поверхность воды, как мы знаем, кажется зеркальной-вследствие "полного внутреннего отражения"; а на таком фоне серебристо-окрашенные рыбы остаются незаметными для охотящихся на них водных хищников.