Увіткніть шпильку в плоский корковий гурток і покладіть його шпилькою вниз на поверхню води в мисці. Якщо пробка не надто широка, то, як би не схиляли ви голову, вам не вдасться побачити шпильки - хоча здавалося б, вона досить довга, щоб пробка не заступала її від вас.
Малюнок 1. Досвід з шпилькою, невидимої у воді.
Чому ж промені світла не доходять від шпильки до вашого очі? Тому що вони зазнають те, що у фізиці називається повним внутрішнім відбиттям». Нагадаємо, у чому полягає це явище. На рис. 2 можна простежити за шляхами променів, які переходять з води в повітря (взагалі з середовища більш заломлюючої в середу менш заломлюючу) і назад. Коли промені йдуть з повітря у воду, то вони наближаються до «перпендикуляру падіння»; наприклад, промінь, що падає на воду під кутом b до перпендикуляру до площини падіння, вступає в неї вже під кутом а, що менше, ніж b.
Малюнок 2. Різні випадки заломлення променя при переході з води в повітря. У разі II промінь падає під граничним кутом до перпендикуляру падіння і виходить з води, ковзаючи вздовж її поверхні. III зображає випадок повного внутрішнього відбиття.
Але що буває, коли падаючий промінь, ковзаючи по поверхні води, падає на водну поверхню майже під прямим кутом до перпендикуляру? Він вступає у воду під кутом, меншим ніж прямий, а саме під кутом в 48,5 градусів. Під великим кутом до перпендикуляру, ніж 48,5 градусів, промінь вступити в воду не може; це для води «граничний» кут. Необхідно усвідомити собі ці нескладні співвідношення, щоб зрозуміти подальші, зовсім несподівані й надзвичайно цікаві слідства закону заломлення.
Ми зараз дізналися, що промені, що падають на воду під всовозможными кутами, стискаються під водою досить тісний конус з кутом розчину 48,5 + 48,5 = 97°. Простежимо тепер за ходом променів, що йдуть назад - з води в повітря (рис. 3).
Малюнок 3. Промені, що виходять з точки Р під кутом до перпендикуляру падіння більше граничного (для поди - 48,5 градусів), не виходять в повітря з води, а цілком відображаються всередину.
За законами оптики, шляхи будуть ті ж самі, і всі промені, укладені в згаданому 97-градусному конусі, вийдуть у повітря під різними кутами, розподіляючись по всьому 180-градусний простору над водою.
Але куди ж дінеться підводний промінь, що знаходиться поза згаданого конуса? Виявляється, він не вийде зовсім з-під води, а позначиться цілком від його поверхні, як від дзеркала. Взагалі всякий підводний промінь, що зустрічає поверхню води під кутом, великим граничного» (тобто великим 48,5 градусів), не заломлюється, а відображається: він зазнає, як кажуть фізики, «повне внутрішнє відбиття*».
Малюнок 4. Дуга зовнішнього світу в 180° скорочується для підводного спостерігача до дуги в 97°; скорочення тим сильніше, чим далі відстоїть частина дуги від точки зеніту (0°).
Якби риби вивчали фізику, то найголовнішим відділу оптики було б для них вчення про «внутрішньому відбитті», так як в їх підводному зорі воно відіграє першорядну роль.
У зв'язку з особливостями підводного зору знаходиться, по всій ймовірності, то обставина, що багато риби мають сріблясту забарвлення. На думку зоологів, така забарвлення є результат пристосування риб до кольору расстилающейся над ними водної поверхні: при спостереженні знизу поверхню води, як ми знаємо, здається дзеркальної - внаслідок «повного внутрішнього відбиття»; а на такому тлі сріблясто-забарвлені риби залишаються непомітними для полюють на них водних хижаків.
* Відображення називається в даному випадку повним тому, що тут відображаються всі падаючі промені, між тим як навіть найкраще дзеркало (з полірованого магнію або срібла) відображає тільки частину падаючих на нього променів, решту поглинає. Вода при зазначених умовах є ідеальним дзеркалом.
