第61期科学3分钟浏览 25
发布 · 杂学书库 别馆
水杯里的勺子看起来弯折了
勺子明明完好,水面以下的部分却看起来错开了。低下头时,看似弯折的位置也会跟着移动,这是有原因的。
放进水杯里的勺子在水面处看起来弯折了,并不是因为勺子真的弯了。而是因为来自水中的光穿过水面进入空气时改变了方向,眼睛却认为这些光是沿直线传来的。
光在水面处发生偏折
光在水中比在空气中传播得慢。因此,斜着穿过水面的光会在交界处稍稍改变传播方向。来自浸水部分勺子的光,也会在水面处偏折一次后进入眼睛。然而,大脑并不会另外计算光在传来时发生的偏折,而是沿着光进入眼睛的方向,反向延伸直线来判断物体的位置。因此,浸水的部分看起来位于比实际更浅、稍稍错开的位置。露出水面的勺柄传来的光沿直线传播,所以看起来仍在原位,两部分在水面处错开,就显得像是弯折了。
随观察角度而变化
从杯子正上方向下看,几乎看不出弯折。这是因为光几乎垂直穿过水面,方向没有发生太大变化。视线越倾斜,偏折程度就越大,所以坐在餐桌旁从侧面看时,浸水的部分会显得明显错开。从侧面看圆形杯子时,装着水的杯子还会像凸透镜一样会聚光线,使浸水的部分有时显得更粗。改变头部的高度,看似弯折的位置也会跟着移动,但勺子仍在最初的位置。
光并不是在水中沿曲线传播
看到勺子像是弯折了,很容易以为光也在水中沿着圆弧弯曲前进。然而,光在水中和空气中都是沿直线传播的。改变方向的位置,只有水与空气相接的水面这一处。因此,看似弯折的位置也不会出现在勺子中间的任意地方,而总是在水面的高度。
水看起来比实际更浅
出于同样的原因,水底看起来比实际更近。从正上方看,深1.2m的游泳池池底,看起来像是在约90cm深的位置,观察角度越倾斜,看起来就越浅。在山涧或海边,以为脚能踩到底,走进水里后却吓了一跳,也是这个原因,所以水越清澈,就越应当认为它比想象中更深,这样更安全。射水鱼会向水面外的昆虫喷水,将其击落,也有观察研究发现,它们瞄准时连这种位置偏差都会考虑进去。
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勺子没有变化,是眼睛将从水面偏折后传来的光沿直线延伸,才让它看起来错开了。
整理与参考笔记 · 斯涅尔定律(光的折射)·Dill(1977)射水鱼研究. 水的折射率约为1.33,所以从正上方看,水中物体看起来位于实际深度的4分之3左右。观察角度越倾斜,位置偏差就越大。射水鱼的观察研究来自Dill(1977,Behavioral Ecology and Sociobiology)。
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