Hello！諸位柯迷同事好，我是柯研所587號(hào)研究員北極光。這是我第一次發(fā)表柯南相關(guān)文章，初次與你們碰面，請(qǐng)多指教。本期我將以柯南TV787-788（分拆版840-841）《沉入夏日泳池的迷團(tuán)》為背景介紹其中蘊(yùn)涵的化學(xué)現(xiàn)象——光的全反射，希望還能迸發(fā)你們對(duì)于這些隱藏在名柯中科學(xué)的興趣。
首先梳理一下劇集內(nèi)容：瑪麗為得到關(guān)于A藥的情報(bào)托世良約請(qǐng)柯南單獨(dú)去他們居住的旅館，但小蘭與園子據(jù)說(shuō)酒店有游泳池便也跟了過(guò)來(lái)，而這也令瑪麗獲取A藥情報(bào)的心愿落空。沒(méi)想到這家酒店的游泳池發(fā)生了一起殺人風(fēng)波。酒店老總的兒子大磯永美小妹為了找尋弄丟的戒指，將其他顧客擊退并只身潛入游泳池尋覓。在這期間，酒店總監(jiān)豐島延策及大磯永美的姐姐大磯濱香、未婚夫左卷賴斗等人先后來(lái)過(guò)游泳池欲幫助永美小妹，卻都沒(méi)有發(fā)覺(jué)她，過(guò)了一會(huì)兒餐廳的工作人員才發(fā)覺(jué)大磯永美的遺體沉在泳池中央。
這么為何一開(kāi)始去到游泳池的兩人沒(méi)有見(jiàn)到永美小妹呢？這正是罪犯（也就是旅館總監(jiān)豐島延策）一手企劃的詭計(jì)。罪犯借助水槽擋住受害人遺體，并放出二氧化碳瓶中的二氧化碳，在水槽中產(chǎn)生了水——氧氣界面，達(dá)成界面下方光線向下傳播時(shí)發(fā)生全反射的條件，這樣站在泳池臺(tái)上的人因?yàn)橐暰€與界面垂線有較大角度，就看不到水槽中界面以下的景色了。不得不說(shuō)，那位罪犯具有一定的科學(xué)知識(shí)，但用這種科學(xué)知識(shí)來(lái)犯罪，卻是荒謬至極的。這么接出來(lái)我就為你們簡(jiǎn)單介紹一下全反射現(xiàn)象以及現(xiàn)象背后的科學(xué)原理吧。
中學(xué)數(shù)學(xué)課上我們都學(xué)過(guò)折射定理與反射定理，而全反射，正是折射定理的一種特例，即光在光密介質(zhì)（折射率較大的介質(zhì)）中以較大入射角向光疏介質(zhì)（折射率較小的介質(zhì)）中傳播時(shí)，沒(méi)有折射光線而光全部被反射的現(xiàn)象。似乎會(huì)有男子伴疑慮，明明是全反射，為何說(shuō)是折射定理的特例呢？這兒我想告訴你們一點(diǎn)，全反射之反射是結(jié)果，而要探究其現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律更應(yīng)當(dāng)剖析發(fā)生全反射這一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)過(guò)程。下邊我們就從折射定理和反射定理的原理出發(fā)來(lái)探究這一過(guò)程。
接出來(lái)的推論對(duì)于沒(méi)有小學(xué)語(yǔ)文和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的朋友來(lái)說(shuō)可能理解上去有一定難度，若不感興趣可以選擇跳過(guò)。
在柯南劇集中，為了向目暮警官等人說(shuō)明囚犯被捕時(shí)所用到的手法，世良也對(duì)全反射現(xiàn)象作出了解釋：空氣與水其實(shí)都是透明的，但對(duì)光的折射率卻不一樣。當(dāng)光從折射率較高的水底行進(jìn)到折射率較低的空氣中時(shí)，假若以正對(duì)著水跟空氣交界面的角度看過(guò)去，光線都會(huì)全部被反射回去，像穿衣鏡一樣，這樣就難以見(jiàn)到交界面另左側(cè)的東西了。為易于你們理解，柯南還做了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：柯南先將一枚十元硬幣裝入水槽中，之后趁玻璃杯中還有空氣時(shí)遮住硬幣，這時(shí)硬幣便忽然“消失”了。這就是由于硬幣所反射的光線向下行進(jìn)時(shí)，在空氣與水的交界面處被全部反射回來(lái)，這樣你們便看不到硬幣所反射的光了。
過(guò)了一會(huì)兒，站在水槽對(duì)面的目暮警官發(fā)覺(jué)從正上方看就又能看到床罩在玻璃杯下邊的硬幣了，這是由于假如從入射角度（這兒的角度指視線與界面法線所成傾角）較小的位置看空氣與水的交界面的話，它就不會(huì)呈現(xiàn)鏡面狀態(tài)了。并且這兒是游泳池，根本難以從正上方往內(nèi)看，囚犯也因而實(shí)現(xiàn)了犯罪手法。
從柯南做的實(shí)驗(yàn)以及世良最后對(duì)目暮警官的解釋說(shuō)明中我們可以曉得：發(fā)生全反射是須要條件的，除了須要光從折射率較大的介質(zhì)向折射率較小的介質(zhì)中傳播，對(duì)角度也有要求。這個(gè)角度便是上面說(shuō)明的臨界角ic，只有入射角小于這個(gè)值，光從就會(huì)發(fā)生全反射。這么這個(gè)角度值具體是多少呢，很簡(jiǎn)單便可以推出來(lái)。上面說(shuō)到當(dāng)入射角減小到為ic時(shí)，折射光線將沿界面?zhèn)鞑ィ簿褪钦凵浣铅?#39;'=90°，將這個(gè)折射角度代入折射定理表達(dá)式就可以了：
sin90°=1，便得到：
也就是說(shuō)全反射臨界角的余弦，等于光在兩種介質(zhì)中折射率之比。
如今我們?cè)缫寻盐樟巳瓷洮F(xiàn)象以及背后的原理，最后再了解一下全反射現(xiàn)象有什么應(yīng)用，以及自然中存在的一些全反射現(xiàn)象吧。
你們最常見(jiàn)的有關(guān)全反射的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)就是光導(dǎo)纖維了。如右圖，光纖內(nèi)部由內(nèi)外兩層折射率不同的材料穿套而成，光在外層材料行進(jìn)過(guò)程中抵達(dá)兩層材料間的分界面時(shí)便會(huì)發(fā)生全反射，反射回來(lái)后在另一邊抵達(dá)界面時(shí)繼續(xù)發(fā)生全反射。光在光纖內(nèi)部像這樣經(jīng)過(guò)多次全反射，看起來(lái)就好象光沿著光纖一起“拐彎”了。
光導(dǎo)纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下，結(jié)合全反射的條件我們可以發(fā)覺(jué)，光纖外層材料的折射率須要比內(nèi)層材料的大。而且要讓光才能在光纖內(nèi)完成多次全反射，使光僅有少量能量損失地順利傳導(dǎo)到遠(yuǎn)處，須要它們的折射率之比越大越好（實(shí)際卻無(wú)法找到折射率特別大的透明介質(zhì)纖維），且光步入光纖的角度也須要比較小（以保證光傳到內(nèi)外層介質(zhì)界面時(shí)的入射角較大），光纖的彎曲程度也不能太大。
再講一個(gè)你們比較熟悉的自然現(xiàn)象——海市蜃樓。海市蜃樓通常出現(xiàn)在海洋或荒漠中，這是由于海洋或荒漠上空的空氣密度變化比較大。我們中學(xué)學(xué)過(guò)比熱容的概念，它反映了物質(zhì)氣溫變化的難易程度。水的比熱容很大（吸吸熱時(shí)氣溫不易變化），因而在炎炎盛夏的正午時(shí)刻，盡管水面上空的空氣濕度升得很高，但海水水溫變化卻沒(méi)這么大，接近水面的空氣濕度比較高處的空氣濕度低。由熱脹冷縮，越往上空氣密度越低，則從海平面到上空，空氣對(duì)光的折射率也漸漸變低。在海上或海對(duì)岸的物體所反射的光斜向下傳播時(shí)全反射的條件，因?yàn)檎凵渎实牟粩嘧兓瘯?huì)不斷發(fā)生微小折射，若海面和高空空氣密度相差足夠大，就有可能在某一高度處入射角達(dá)到臨界值，繼而發(fā)生全反射，光線便傳播到遠(yuǎn)處的水面上。而我們?nèi)搜蹠?huì)覺(jué)得光就是始終順著直線傳播的，因而會(huì)聽(tīng)到貌似水面上陡然出現(xiàn)了空中樓閣或船舶一樣。荒漠中的蜃景現(xiàn)象則剛好相反，石子的比熱容很小（有吸收熱量體溫便很容易下降），因而正午時(shí)地面上的石子氣溫升得很高，從地面往上氣溫漸漸減少，空氣的折射率不斷減小。荒漠上的一些行道樹(shù)或其它自然水景斜向上反射光時(shí)全反射的條件，光線不斷發(fā)生微小折射，若才能在傳播到地面曾經(jīng)達(dá)到臨界角，便又可斜向下反射，光因此傳播到遠(yuǎn)處。
好了，對(duì)于《沉入夏日泳池的懸案》中全反射現(xiàn)象的介紹就結(jié)束了，最后再為你們做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)：光的全反射發(fā)生在兩種不同透明介質(zhì)的分界面上，發(fā)生條件主要有兩點(diǎn)，其二是光必需要從折射率較大的介質(zhì)向折射率較小的介質(zhì)中傳播，其一是入射角須要小于臨界角。雖然不止這一系列，名柯中還有其它許多系列也都蘊(yùn)涵著光學(xué)知識(shí)。例如TV488（分拆版532-533）《電視臺(tái)的惡魔》，劇集中的罪犯借助一張紅色彩紙和一塊三角板構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)易穿衣鏡拿來(lái)化裝，想要借此來(lái)甩掉嫌疑。不過(guò)那些都難以逃脫柯南的慧眼，柯南揭穿后對(duì)眾人作出了示范及解釋：像玻璃或是透明的塑膠片，本身隨時(shí)都能形成反射的作用，只是由于另一面的光太強(qiáng)，所以才看不清楚。假如用紅色的紙把前面的光擋住，還能像穿衣鏡一樣了。
不止光學(xué)，名柯中還包含了許多科學(xué)知識(shí)與現(xiàn)象，期盼男子伴們多多觀看，與柯南一起在名柯世界小學(xué)習(xí)更多的自然奧秘。
作者
587北極光
初審
柯研中心
