硬币隐身之迷
桌子上有一枚硬币,拿一个杯子,装满水,然后把杯子压在硬币上。此时,请看看玻璃的一边,你会发现硬币不见了。没有人把它拿走,但是当从杯口往下看时,硬币仍然在那里。
然后,当别人不注意的时候,你把一些水浸入玻璃杯的底部。请邀请其他学生再次做这个实验。这一次,每个人都会惊讶地发现这种魔法不起作用。透过玻璃的侧壁,学生们总能看到闪亮的硬币。如果你不说出这个秘密,恐怕没人能让硬币再次消失。
这个有趣的实验可以用光的全反射现象来解释。当光从空气通过玻璃底部进入水中时,它被折射,因为它从光稀疏的介质进入光稠密的介质,所以所有折射的光都接近法线方向。这导致大部分光线以大的入射角撞击杯子的侧壁,从而导致全反射。反射的光回到水中并从杯口射出,所以硬币不能从杯子的侧面看到,但是当从杯口向下看时,硬币仍然很好地放在那里。
为了做这个实验,人们应该使用一个嘴比底部大的玻璃杯,而不是一个顶部和底部都大的玻璃杯。你为什么要这么做?你可以根据光的折射定律来思考它。
当杯底和硬币被水弄脏后,情况发生了变化:硬币发出的光穿过杯底,然后进入杯中的水。在这种情况下,杯子的底部可以看作是一块平板玻璃,上面和下面都有水,光线通过它的方向不会改变。这样,当硬币发出的光到达杯子的侧壁时,光的部分入射角不是很大,当然,不满足全反射条件,并且光从侧壁透射,从而可以看到杯子下面的硬币。有趣的是,如果硬币只有一部分被水弄脏,而另一部分没有,那么你只能看到被水弄脏的部分。
全反射也可以通过许多其他方法观察到,其中两种方法如下所述。
找一个又大又深的装满干净水的盆。将一枚硬币扔在脸盆底部,然后用一个厚玻璃将硬币倒置(注意,当压在玻璃上时,不要让玻璃中的空气漏出)。这时,如果你再看玻璃的侧面,你会发现玻璃变得不透明。它的侧面像镜子一样闪耀着银光,反射着脸盆底部的印刷图案,而硬币已经不见了。
做这个实验的另一种方法是把玻璃直立在盆里,用玻璃底部紧紧地压硬币。如果你从杯子的侧面看,你会发现杯子是不透明的(注意,不要让水进入杯子,如果水进入杯子,它会变得透明)。
虽然这些实验做起来很简单,但要解释原因需要很多大脑。为你自己想想。
利用光在玻璃内表面全反射的原理,可以制成一种光学仪器——全反射棱镜。光垂直进入棱镜的一侧,然后以45度的入射角投射在棱镜的内表面上。由于玻璃的临界角为42°,光束被全反射,反射光从另一侧射出。
全反射棱镜可以使光线以90度或180度的角度转动,很像一面镜子,但这是一面没有镀银的镜子,所以它不怕潮湿。此外,当它反射光时,光的损失也非常小,并且平面镜反射多次以形成许多图像是没有问题的。由于这些优点,在科学研究中经常用它来代替平面镜来改变光的方向。
钻石因为光的全反射而变得明亮。钻石是非常珍贵的宝石。它也被称为钻石。天然钻石并不都很漂亮,它必须经过人们加工才能变得光彩夺目。
一种钻石有50多条边。如果一束光线从钻石的顶部入射,因为钻石具有大的折射率和小的临界角,大部分光线将完全反射在其众多的内表面上,所以有光线从它向各个方向反射,所以它总是看起来晶莹剔透、闪闪发光和迷人。
用相同形状的其他宝石或玻璃制成的仿制品赶不上钻石的光彩。原因是其他宝石的折射率比钻石小,所以临界角大,光在宝石中的全反射不像在钻石中那样容易。
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