Question

如圖所示，在清澈平靜的水底，抬頭向上觀察，會看到一個十分有趣的景象：

(1)水面外的景物(藍天、白云、樹木、房屋)，都呈現在頂角θ＝97°的倒立圓錐底面的“洞”內；

(2)“洞”外是水底的鏡像；

(3)“洞”邊呈彩色，且七色的順序為內紫外紅.

試分析上述水下觀天的奇異現象.

Answer 1

答案：
解析：

【解析】水面外的景物射向水面的光線，凡入射角0≤i＜90°時，都能折射入水中被人觀察到(圖a).根據折射定律，在i=90°的臨界條件下 n=sinr＝＝sini0. 因為水的臨界角i0＝48.5°，所以，倒立圓錐的頂角為θ＝2r＝2i0＝97° 水底發出的光線，通過水面反射成虛像，也可以在水下觀察到.但是由于“洞”內有很強的折射光，所以只有在“洞”外才能看到反射光(尤其是全反射光)造成的水底鏡像(圖b). 光線從空氣中折射入水中時，要發生色散現象：紅光的折射率最小，偏向角最小；紫光的折射率最大，偏向角最大.因為眼睛感覺光線是沿直線傳播的，所以從水中看到的彩色“洞”邊，是內紫外紅(圖c).

提示：

【說明】本題所給的三種景象對應著三個不同的物理規律：折射、反射和色散.在簡要解釋物理現象時，首先要將現象和物理規律聯系起來，要從規律入手，歸納總結出產生現象的原因. 【設計意圖】通過本例說明應用折射、反射和色散的規律分析解釋現象的思路方法.