金鱼缸里的光学原理

金鱼缸里的光学原理作者：朱庆华文章来源：《物理教学探讨》2005年第6期下半月点击数：45更新时间：12/11/2005金鱼具有较高的观赏价值，其中鱼缸也起到了一定的技术效果。同样一条金鱼放在不同的鱼缸里，从不同的角度，将会观察到不同的情况。例1在鱼缸的上方往下看，将会看到金鱼变浅了。解析当光从水进人空气时，发生了光的折射，折射角大于入射角。折射光线的反向延长线的交点，就是金鱼的像，像在鱼的上方。如图1所示，所以看到金鱼变浅了。例2鱼缸是方形的，在鱼缸的侧方水平看，当眼睛从鱼缸一角的棱边沿角平分线方向附近一定范围内看去，有时在鱼缸两侧面内能看到两条金鱼，如图2所示。解析当金鱼位于鱼缸两玻璃侧面夹角平分线附近一定范围内时，光从水分别通过两玻璃侧面进入空气，发生光的折射，分别成像，这两个像分别向两侧面靠近，而通过两个侧面的折射光线都能进入人眼，如图3所示。这时就会看到两条金鱼(图3所示中，已把光从水到玻璃里再到空气里两次折射，简化成一次折射)。例3鱼缸是圆形的，在鱼缸的侧方水平看，将会看到金鱼放大了。当眼睛与金鱼S的连线过鱼缸水面横截面的圆心时，看到放大的金鱼S'也在连线上，如图4所示。以此连线作参照，保持眼睛位置不变，当金鱼S偏离此连线向右时，看到放大的金鱼S'更加偏右，如图5所示。反之，当金鱼5偏离此连线向左时，看到放大的金鱼S'更加偏左，如图6所示。解析眼睛从鱼缸侧面看，鱼缸里的水与圆形缸壁形成了相当于凸透镜的结构。金鱼在这个凸透镜的焦点以内，就成正立放大的虚像。所以看到金鱼放大了。因为像是正立放大的，所以当金鱼偏离主轴时，像与金鱼在主轴同侧，且偏离主轴比金鱼更远，所以鱼偏右，虚像更偏右，反之，鱼偏左，虚像更偏左。例4鱼缸是曲面形的，隔着曲面的缸壁看，当金鱼游动时，会变形。如果曲面形鱼缸的横截面不是正圆，则变形现象更明显。有时头很大，有时尾很长，有时被扭曲。解析金鱼的不同部分所处的位置不同，不同部位所成的像放大比例就不同。金鱼游动时，金鱼不同部位的位置都在改变，不同部位所成的像到曲面的距离也在不同地改变，放大比例也在不同的改变，所以看到的金鱼变形了。如果曲面形金鱼缸横截面不是正国，则曲面上各点的曲率半径不同，金鱼游动时，金鱼不同部位所成的像到曲面的距离的变化差异更大。所以看起来变形更明显。这与公园中的“哈哈镜”原理相同。