中國空間站的“天宮課堂”裡,展示了一個裡面有個大氣泡的水球,透過水球看去,會看到一正一反的兩個像,為什麼會這樣呢?
我們來看看光線是如何被水球折射的,這裡只考察過水球中心的豎直平面上的光線。
一個點光源發出的光,被一個裡面沒有氣泡的水球折射後並不能匯聚到一個點上,但可以匯聚於一個很小的區域裡,然後再發散開來。
再來看有氣泡的水球裡的情況。
有一部分光線在氣泡表面發生了全反射,反射光線我們就不畫出來了。
穿過氣泡的光線,最後會發散開來。
沒有穿過氣泡的光線,分別匯聚於兩個很小的區域,然後再發散。
我們準備一個向上的箭頭,箭頭頂部放一個黃點,底部放一個藍點。
先來看頂部黃點的光線。
紅色光線穿過了中心的氣泡,藍色光線沒有穿過中心的氣泡。
這兩部分光線經過我們人眼中晶狀體的折射後在視網膜上匯聚於兩個點,因此我們會看到兩個影像。
為了能夠看得清楚一點,我們把沒有射入眼球的光線去掉,如下圖。
再來看箭頭底部的藍點,穿過中心氣泡的光線用橙色表示,沒有穿過中心氣泡的光線用青色表示。
它們在視網膜上也分別匯聚於兩個點,我們用一個橙色的點和一個青色的點來標記它們。
紅色和橙色,是經過氣泡的光線,我們把紅點和橙點連起來,就是我們看見氣泡裡箭頭影像的大小。
藍色和青色,是沒有經過氣泡的光線,我們把藍點和青色點連起來,就是箭頭在氣泡外的像的大小。
可以看出,氣泡裡的影像小,而氣泡周圍的影像大。
這裡氣泡裡的影像是倒立的,而氣泡周圍的影像卻是正立的,但我們的大腦會把它們倒過來,
因此我們看見的影像就是氣泡裡邊是正立的,而氣泡外面是倒立的。
如果不是水球,而且其他材質的球,會怎麼樣呢?我們來看一看。下圖是透過中間有氣泡的玻璃球看見的樣子。
下圖是透過中心有氣泡的水晶球看見的樣子。