Здравствуйте, друзья! В этой статье расскажу про небольшой эксперимент, который позволит увидеть поверхность воды изнутри. Эксперимент очень простой, его может выполнить каждый.
Погружаться в воду при этом не надо. Для опыта понадобится обыкновенное зеркало на подставке, у которого можно менять угол поворота.
Если зеркало полностью погрузить в воду (ванна, таз, кастрюля), смотреть на него сбоку и менять угол его поворота, то при некотором угле обнаружится странное явление - мы начинаем видеть внутреннюю поверхность воды, а всё, что происходит над водой, исчезает из поля зрения. Это явление полного внутреннего отражения - свет, идущий из оптически более плотной среды под углом, больше предельного, не может испытать преломления, и отражается от поверхности радела.
Наблюдатель, находящийся внутри воды, видит свет, идущий снаружи, только внутри конуса с углом, соответствующим этому предельному углу полного внутреннего отражения. На рисунке этот конус, точнее его вид сбоку, нарисован желтым. Обратно в воздух и в глаз наружному наблюдателю могут попасть только лучи, идущие внутри конуса света.
Предельный угол вычисляется по формуле, приведенной на рисунке, для воды он составляет 48,5 градусов.
Установим зеркало так, чтобы угол между перпендикуляром к зеркалу и перпендикуляром к поверхностью воды составил как раз предельный угол полного внутреннего отражения - альфа со звёздочкой на рисунке. В эксперименте это сделать достаточно просто, даже проще, чем написать.
Тогда все лучи, которые идут от внутренней поверхности воды слева от зеркала, после отражения попадут в конус света, а значит, и в глаз человека, смотрящего снаружи. И наоборот, луч, идущий снаружи, после преломления попавший в конус, отразившись от зеркала уйдет за конус, и не имеет шансов выйти обратно из воды.
В зеркало, поставленное под таким углом, можно теоретически разглядеть всю внутреннюю поверхность воды, находящуюся перед зеркалом.
Волны на поверхности воды меняют углы, а значит, и картину полного внутреннего отражения. В спокойной воде интересно наблюдать разные предметы, погруженные под воду. В следующем видео показано, как отражаются в зеркале пальцы.
Казалось бы, зеркало дает возможность поглядеть на мир из-под воды. Но это не совсем так. Свет в данном случае преломляется два раза - при входе в воду, и на выходе из воды. Поэтому угловые размеры предметов не меняются, искажения не происходит. Для подводного наблюдателя угловые размеры деталей предмета будут меняться, причем неравномерно - области, находящиеся непосредственно над глазом, в которые свет проходит прямо, останутся практически неизменными, а чем больше угол, тем больше будет искажение. На краю круга, соответствующего углу полного внутреннего отражения, будет видна радуга из-за дисперсии. Человеческий глаз не приспособлен к наблюдению под водой, поэтому в простом эксперименте посмотреть на эту красоту не получится.
Эффекты подводного зрения подробно описаны у Перельмана в "Занимательной Физике" Вот ссылка на страничку.
Вдохновившись Перельманом, сделала неравномерную цифровую обработку своей фотографии. Центральная область искажена слабо, затем сильнее, а за внешним кругом уже ничего не видно, только зеркальная поверхность.
Друзья, надеюсь, эта статья была вам интересна! Вопросы и впечатления от эксперимента пишите в комментариях. Спасибо за внимание!