正文 第9章 全反射的發現與運用(2 / 2)

用光導纖維傳送信息要比金屬製成的電話線優越得多。一對金屬電話線至多隻能同時傳送1000多路電話,而一對細如蛛絲的玻璃纖維,根據理論計算可以同時通100億路電話。還有保密性好,不受幹擾等優點。製造光纖的原料是石英,在地球上它是取之不盡、用之不竭的。一千克超純玻璃可以代替十幾噸銅。可以相信,隨著現代通訊技術的高速發展,光導纖維將在未來的通信事業中扮演越來越重要的角色。

由全反射引起的許多光學現象中,要算水中的魚仰望水麵時所見到的景象最為怪異,如果不分析,一般人是難以想象出它的模樣來的。假設清澈的池水中有一條魚,在它的眼裏,岸上的一切事物都被擠在一個大漏鬥裏,而魚就位於這個“大漏鬥”的底部。這個“大漏鬥”的上部邊緣圍著由紅、黃、綠、藍、紫等顏色組成的彩色圈。圓圈的外邊,展開著一片發光的水麵,它像鏡子一樣,會映現出水中的各種物體。

為什麼魚的眼裏看到的世界會如此不尋常呢?原來這一切都與光的全反射有關。光從水射向空氣時,發生全反射的臨界角是48.5°,水下光源S發出的光,隻有在97°頂角的圓錐體範圍內的光才能透過水麵,散射向整個水麵以上的空間。

根據光路可逆的道理,水麵上180°視場角內整個空間中物體射來的光線進入水中就被擠在這個97°頂角的“大漏鬥”內,所以整個水麵上的世界被扭曲變形;位於魚正上方的雲,它的形狀倒一點也沒變,因為豎直水麵的光線不會被折射,但岸邊的樹發出的光被水折射後射入魚眼,魚會以為這些光來自天空中樹的虛像。由於樹頂與樹幹發出的光的入射角不相同,它們被折射的程度也不一樣。

如果說樹頂的枝葉尚可保留它的基本形狀,而下部的樹幹則更多地被壓縮了。總之越靠近地麵的樹幹被壓縮得越厲害。這些變了形的樹木的像懸掛在空中,在它們的背後是藍天和白雲。而“大漏鬥”外麵展開的水麵似鏡把水中的景象映現,所以在魚看來,樹長在空中,魚也在空中遊。

下麵我們再來分析那些部分浸在水中,部分又露出水麵的物體,在魚看來又是如何的怪模樣呢?

設直杆AB插在水池中,其中AO部分露出水麵。位於E處的魚當然可以毫不歪曲地看清楚直杆的水下部分OB。然而,由於水麵全反射的緣故,魚還可以看到這部分直杆以水麵為鏡對稱的像,即OB在水麵的倒影,不過這個倒影卻位於OB的上方。至於直杆露出水麵的那部分AO,由於它發出的光經過水的折射,改變了方向。在魚眼看來它的像移到了高得多的位置上,並與水麵完全脫離了。這部分杆的長度因壓縮而變了形。特別是靠近O點的那部分杆被壓縮得很厲害。所以這樣的一根直杆在魚的眼裏卻是由很不協調的三部分連在一起。弄清楚了這些道理,一棵被水淹沒了一半的大樹,魚可以看到的景像就不足為怪的了。魚看到入水洗澡的人應當是如此的怪物:人被分成了兩截,成了兩個動物。上截沒有腳,下截沒有頭,卻有四個手、四隻腳。當我們從魚的旁邊走過時,人的上半身會越縮越短,最後隻剩下一個空懸的人頭。如果讀者想驗證一下上述的說法,可以把一麵鏡子沉入大魚缸底,便可在鏡中目睹這光怪離陸的水下奇觀。