筷子插入水中能观察到几种现象
筷子插入水中能观察到几种现象
插入水中的筷子，在水中的部分看起来向上发生了弯折，这是由于光的折射引起的．如图1所示，处在水中的筷子上的任一点P射向空气中的光线经水面处发生了折射，由于人的视觉习惯，认为到达眼睛的光线是从折射光线的反向延长线上的点P′射来的，点P′在点P的上方.其实，这只是观察者从水面上方斜向下观察水中的筷子时所观察到的现象.许多教科书在讲到光的折射内容时，都会提到这一现象.那么，是否只有这一种现象呢
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图1
如果将筷子插入盛有水的一个薄壁圆柱形玻璃杯（因壁薄，玻璃的折射可忽略不计）中，通过改变观察者的位置、筷子插入水中的方式（直立或斜立）和玻璃杯中水的深浅等，还可以观察到其它许多现象. 1.将筷子竖直插入盛有水的一个薄壁圆柱形玻璃杯中，并左右移动筷子，观察者从玻璃杯的侧面沿水平方向能看到如下三种现象，如图2、图3、图4所示
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图2 图3 图4
图2、图4是竖直插入水中的筷子分别位于玻璃杯内左、右两侧时所观察到的现象：整个筷子看起来是“折断”的，且筷子距玻璃杯的中心轴越远，“折断”现象越明显，而且筷子在水中的部分被放大了，并且分别向左、右两侧发生了偏移.
其原因解释如下：为便于分析，取三个与正视图相对应的俯视图进行研究，如图5、图6、图7所示．设A为处在水中的筷子上的一点，O点为薄壁圆柱形玻璃杯的对称轴ＭＭ′上的一点，且O点与A点均处在水中同一水平面上
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图5 图6 图7
当A点位于圆心O的左侧或右侧时，如图5、图7所示，当光线从A点沿水平方向由水射向空气，即光线由光密介质进入光疏介质时，入射角i小于折射角r，故观察者看到的A点的像在A′处，即处在水中的筷子上的A点的像A′偏移了A点的位置.而且随着筷子距对称轴越远，即筷子上A点离圆心O越远，光线的入射角i越大，根据折射定律ｎｓｉｎｉ＝ｓｉｎｒ可知，相对应的折射角r也越大，所以光线的偏折也越大，即A′点偏离圆心O的距离也越大.
当A点位于圆心O的位置时，如图6所示，从O点沿水平方向发出的光线都跟过O点（或A点）的玻璃杯的水平横截面所得圆的半径重合，故光线不在两介质的界面上发生偏折，仍沿直线传播.
另外筷子在水中的部分看起来为什么都是放大的呢?这是因为玻璃杯内水中的筷子和观察者之间的这部分水可以看做是一个凸透镜，筷子放在用水制作的凸透镜的焦点之内，所以看到的是正立、放大的虚像. 2.将筷子斜插入水中时，根据玻璃杯中水的多少，观察者从杯的侧面沿水平方向也能观察到三种现象，如图8、图9、图10所示.
图8是玻璃杯中水较少时所观察到的现象，即整个筷子看起来是“折断”的，筷子在水中的部分向右侧移动且向上弯折、放大；图9是当玻璃杯中水适量时，即筷子刚好通过水和空气两介质的交界面的中心O点时看到的现象，水中的筷子向上弯折、放大；图10是玻璃杯中水较多时看到的现象，即整个筷子看起来也是“折断”的，水中筷子的像是以O′点（筷子在水中的部分与玻璃杯对称中心轴ＭＭ′的交点）为圆心，沿逆时针方向旋转了一个角度，且筷子的像也是放大的（以上现象如果能同时用同样一个筷子放在玻璃杯子外面作为参照物来进行对比观察，其弯折、偏转现象是非常明显的）
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图8 图9 图10
现象解释如下：筷子的折断、放大现象解释同前述一样，这里重点解释筷子的弯折和偏转现象. 如图8、图9所示，在水中的筷子部分都有向上弯折即向上翘的现象，这是因为水中的筷子上的点距水面的深度越深，则该点距中心轴ＭＭ′的距离越远，那么该点所成像的偏转也越明显（前已证明）. 图10中的筷子上O′点不发生偏转，O′点以上部分筷子上的点，距水面越浅，则该点距离中心轴MM′的距离越远，所以该点所成像的偏转越大；O′点以下部分筷子上的点距离水面越深，则该点距离中心轴MM′的距离越远，所以该点所成像的偏转也越大．因此，处在水中的筷子所成虚像是以O′点为圆心，沿逆时针方向发生了旋转.