探究水上景物经水面折射成像的规律

张怀华

（焦作市第十一中学，河南 焦作 454000）

1 引言

加拿大著名摄影师Eiko Jones曾经在一些沼泽和湖泊中拍摄过神秘的水下世界.对于绝大多数没有潜水经历的人们来说，池塘和湖泊的水下世界无疑是一个非常令人神往的地方.他的水下摄影作品《沼泽之心》曾获“我们的水下世界国际影赛”（Our World Underwater）的银奖.［1］正是因为Eiko Jones的工作，让人们开始意识到这些水下世界也是值得保护的.

当人们都在透过Eiko Jones的镜头欣赏这神奇的水下秘境的时候，高中物理教师们却从图1-4中看到了神奇的水面折射成像规律.即在潜水员的视野中，水上所有景物都出现在一个倒立的圆锥里.［2］

图1

图2

图3

图4

水上景物的像为什么都呈现在一个倒立的视锥中呢？水上景物的像又依照什么规律发生扭曲变形的呢？

2 探究水上景物经水面折射成像的规律

当水上景物发出或反射的光以掠射方式经水面折射进入观察者眼中的过程中，入射角与折射角遵循光的折射定律，即

由于入射光线掠射，入射角i趋近于90°，则折射角r趋近于

当水下观察者逆着折射光线观察水上景物的时候，就发现水上景物的像全部都呈现在一个倒立的圆锥（以下简称视锥）里.

由于水的折射率n为1.333，由（2）式可得，来自水上景物的光以掠射方式入射时，对应的折射角r约为48.8°，视锥的顶角约为97.6°.

如图5所示，［2］普通高中物理课程标准教科书物理选修3-4中给出了水上景物与其经水面折射所成像的插图.那么，水上景物与其经水面折射所成的像是否存在简单的旋转和缩放关系呢？……