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        解析游泳池中泳者“身首分離”的折射現(xiàn)象

        2021-10-13 09:18:14
        大學(xué)物理 2021年10期

        邵 云

        (南京曉莊學(xué)院 電子工程學(xué)院,江蘇 南京 211171)

        在一個偶然的機(jī)會,筆者看到一女子在游泳池中游泳的短視頻,如圖1所示.視頻中該女子在水面上方的人臉實(shí)物與水面下方身體的虛像之間竟有如此大的“分離”,令人驚訝.筆者曾經(jīng)在本刊《物點(diǎn)經(jīng)多層平行介質(zhì)界面折射成像的疊加法則及應(yīng)用分析》[1]一文中對該現(xiàn)象進(jìn)行了初步的分析,對泳者“身首”在圖1中玻璃池壁方向上的視覺分離距離進(jìn)行了簡單的作圖驗(yàn)證,并對其變化趨勢也進(jìn)行了初步的判斷.本文則更進(jìn)一步,從根本的成像位置出發(fā),利用平面幾何與三角函數(shù)知識,定量地計(jì)算出圖1中泳者“身首”視覺分離的距離,及其隨視距、視角和深度的變化關(guān)系,并輔以圖示,籍以為讀者呈現(xiàn)一個更為清晰和完整的認(rèn)識.

        圖1 游泳池中泳者的“身首分離”折射現(xiàn)象

        1 水下物點(diǎn)P經(jīng)水面折射成像的虛像點(diǎn)位置

        如圖2所示,水下h深度處一物點(diǎn)P發(fā)出一細(xì)束光線,在水面的入射角為i,折射角即人眼的視角為r,折射光線的反向延長線成虛像點(diǎn)于圖中P′點(diǎn),P′位于物點(diǎn)P的右上方[1].姚啟鈞《光學(xué)教程》[2]給出像點(diǎn)P′的坐標(biāo)為

        圖2 來自水下物點(diǎn)P的某一細(xì)束折射光線成像

        x′=h(n2-1)tan3i

        (1)

        (2)

        其中水的折射率n設(shè)為4/3.

        (3)

        將式(3)代入式(1)、(2)即得

        (4)

        (5)

        此即以視角r所表示的像點(diǎn)坐標(biāo).若令h=1 m,則根據(jù)式(4)、(5)可作出像點(diǎn)P′隨視角r的變化軌跡,如圖3所示.

        圖3 水下h=1 m深處的物點(diǎn)P的虛像點(diǎn)P′隨視角r的變化軌跡

        2 圖1中泳者“身首分離”現(xiàn)象的光學(xué)解析

        由式(4)、(5)可見,若物點(diǎn)深度或者說水介質(zhì)層的厚度h→0,則有x′→0,y′→0,物點(diǎn)與像點(diǎn)趨于重合.推而廣之,可以證明[3],當(dāng)光路途中某個平行介質(zhì)層很薄時,它對于物點(diǎn)最終成像位置坐標(biāo)的貢獻(xiàn)將可被忽略!由于圖1中的玻璃游泳池壁相對很薄,因此它對最終成像位置的貢獻(xiàn)近似可以忽略,即泳者水下身體的成像可近似看作水→空氣的一次折射成像,如圖4所示.

        圖4 觀察者E所看到的水上物點(diǎn)P(人臉)和水下像點(diǎn)P′(人身)位置

        2.1 用圖4中的h、r、d來表達(dá)

        根據(jù)圖4,顯然有

        xA=htani

        (6)

        觀察者E的坐標(biāo)則為

        xE=htani+dsinr

        (7)

        yE=dcosr

        (8)

        鑒于P、B、E三點(diǎn)共線,故有比例關(guān)系:

        (9)

        解之得

        (10)

        于是,聯(lián)立式(6)—(8)、(10),即得圖4中視覺分離的距離

        (11)

        再將式(3)代入式(11),整理后便得

        (12)

        2.2 用圖4中的坐標(biāo)xE、yE、xA來表達(dá)

        當(dāng)觀察者的位置(xE,yE)固定時,不難看出,圖4中的視角r、距離d均隨物點(diǎn)深度h的變化而變化,因此此時式(12)中的h、d、r并非彼此獨(dú)立.由圖4得

        (13)

        將式(13)代入式(3)可得

        (14)

        再聯(lián)立式(6)、(10)、(14),整理即得

        (15)

        2.3 物點(diǎn)、觀察者位置坐標(biāo)h,xE,yE均給定時的

        (16)

        若將式(16)變形為

        (17)

        3 視覺分離距離的大小及變化趨勢

        同理,當(dāng)物點(diǎn)P的位置(即h)固定,且觀察者的距離d也固定時,通過觀察,可發(fā)現(xiàn)式(12)的分母是視角r的單調(diào)遞減函數(shù),同時容易證明式(12)的分子是視角r的單調(diào)遞增函數(shù),即有

        圖5 幾個典型的觀察者位置下xB-xA隨xA的變化曲線

        4 關(guān)于圖5中極點(diǎn)的計(jì)算

        (18)

        將圖5中的4個觀察者位置坐標(biāo):(10,1),(10,5),(10,10),(10,100)分別代入式(18),利用Excel軟件,可算出圖5中4個極值點(diǎn)的橫坐標(biāo)xA分別為:2.240 7 m,3.058 2 m,3.789 7 m,4.630 1 m.

        4.440 6 m,1.378 5 m,0.890 0 m,0.719 5 m;

        進(jìn)而代入式(17),則得對應(yīng)的h值:2.013 3 m,3.987 5 m,8.796 2 m,115.039 0 m.

        經(jīng)檢驗(yàn),這里由式(18)算得的xA值與圖5中的極點(diǎn)位置吻合.

        同理,利用式(15)、(17)、(18),也可以對其他觀察者位置(xE,yE)下的情況作類似的分析.

        5 觀察者位置固定時隨h的變化曲線

        圖6 幾個典型的觀察者位置下xB-xA隨h的變化曲線

        從曲線的形狀上看,圖6和圖5有較大的差別,其原因在于h與xA之間的函數(shù)關(guān)系式(17).盡管如此,此時的h與xA是一一單調(diào)對應(yīng)的,因此圖6中的極點(diǎn)實(shí)質(zhì)上也是圖5中的極點(diǎn).

        6 總結(jié)與說明

        本文的結(jié)論式(12)、(15)—(18)具有普適性,它們同樣適用于其他介質(zhì)情形,對于教學(xué)與科研或有參考價(jià)值.

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