叉鱼的光学原理

在我国的东海、黄海和南海，有很多从事捕鱼的渔民，当他们大规模捕鱼时，将鱼群按一定方向驱赶集中至一定地点后，采用张网、拖网等捕鱼的方法.但是，同学们可能不知道，还有另外一种较原始的捕鱼方法——用鱼叉叉鱼.常见的鱼叉如图1所示，它的前端很尖，使用时，将鱼叉掷向鱼，就能够把鱼叉上来.

叉鱼的步骤很简单，但是，叉鱼过程中包含了很多与光有关的物理知识.

首先，人为什么能够看到本身不发光的物体呢？我们能看到物体，是因为物体发出或反射的光线进入人眼，先经过人的角膜、然后经过眼球的晶状体折射而达到视网膜上，在视网膜上形成一个物体的像，这个像经过视觉神经系统传输到人的大脑中的视觉区域，从而在视觉区域形成物体的像，使大脑对物体有了“印象”，这就使人眼看到了物体.渔民能看到鱼，是因为外界的光被鱼反射后，从水中折射入空气中，最终进入人的眼睛，在视网膜上成像.

其次，鱼在水里，而渔民在岸上，光是从水中折射入空气中的，如图2，光从一种介质斜射入另一种介质中时，传播方向一般会发生变化，即发生折射现象.图3表示光从水中进入空气中发生折射的情况.入射光线AO从水中射入空气中，在水面发生了反射和折射，折射角∠BON>入射角∠AON′，折射光线OB相对于入射光AO线远离了法线.

正是因为鱼反射的光线从水中进入空气中，经折射后的光线进入人眼，使人能够看到水中的鱼.

我们来分析渔民看到鱼的光路图.如图4所示，水中鱼有光线从水中折射进空气中，选择其中两条入射光线AB、AC，作出对应的折射光线BD、CE，折射光线相对于入射光线，远离了法线，折射角大于入射角.由于部分折射光线进入人眼，渔民才看到鱼.

实际上，有经验的渔民在叉鱼时，并不是正对着看到的鱼所在位置投掷鱼叉，而是朝看到的鱼稍偏下的位置投掷鱼叉.为什么这么做呢？渔民看到的鱼是不是处于真实的位置？看到的鱼在不在图中A处？

人眼是根据光的直线传播来判断物置的.如图5所示，逆着蜡烛发出的光线，人眼就能看到蜡烛.水中的鱼反射出的光经折射后，进入人眼，逆着折射光线，人眼看到的“鱼”就是折射光线反向延长线的交点A′，如图6所示.这种情况与蜡烛光进入人眼引起的视觉感受相同.所以人就会感到A′处有一条“鱼”.实际上，A′处并没有光线发出，它是由射入人眼的折射光线的反向延长线会聚形成的，并不是真实光线会聚而成的，渔民看到的是鱼的虚像.由于折射光线相对于入射光线远离了法线，所以折射光线的反向延长线会聚于真实鱼的上方，即真实的鱼在我们所看到的“鱼”的下方.所以有经验的渔民叉鱼时，总是把鱼叉掷向看到“鱼”的下方，就是掷向真实的鱼.

有同学可能有疑问，如果渔民垂直于水面往下看呢？

选择鱼身上的一点A为研究对象，实际上由于人眼对A点有一定的张角，当垂直往下看时，张角很小，入射光线也不是都垂直于水面，而是与垂直方向有较小的角度.设从A发出两根很靠近的光线，如图7所示：一条垂直于水面入射，传播方向保持不变.另一条入射光线与垂直方向有较小的角度，入射角非常小.这条入射光线进入空气中发生折射.折射光线也远离法线.上述两条入射光线对应的折射光线反向延长，会聚于A′点.A′点就是A的像.A′到水面的垂直距离，就代表了看到的鱼的位置.这样看来，真实的鱼也在看到的“鱼”的下方.实际上，渔民叉鱼时，一般是不会从上面垂直观察的.

如果是潜水员在水中看到水下的鱼，那么他看到的鱼的位置既没有偏高也没有偏低.这是因为，光是在同一种介质——水中传播的，在传播的过程中，光是沿着直线传播的.所以潜水员看到的鱼就是真实的鱼.

原来，渔民叉鱼的过程中，包含了这么多跟光有关的物理知识.实际生活中很多现象和应用都能用物理知识来解释.只要平时留心观察，并认真分析思考，积极探究，你一定会发现物理知识在生活中得到了广泛的应用！