叉魚的光學原理

在我國的東海、黃海和南海，有很多從事捕魚的漁民，當他們大規模捕魚時，將魚群按一定方向驅趕集中至一定地點后，采用張網、拖網等捕魚的方法.但是，同學們可能不知道，還有另外一種較原始的捕魚方法——用魚叉叉魚.常見的魚叉如圖1所示，它的前端很尖，使用時，將魚叉擲向魚，就能夠把魚叉上來.

叉魚的步驟很簡單，但是，叉魚過程中包含了很多與光有關的物理知識.

首先，人為什么能夠看到本身不發光的物體呢？我們能看到物體，是因為物體發出或反射的光線進入人眼，先經過人的角膜、然后經過眼球的晶狀體折射而達到視網膜上，在視網膜上形成一個物體的像，這個像經過視覺神經系統傳輸到人的大腦中的視覺區域，從而在視覺區域形成物體的像，使大腦對物體有了“印象”，這就使人眼看到了物體.漁民能看到魚，是因為外界的光被魚反射后，從水中折射入空氣中，最終進入人的眼睛，在視網膜上成像.

其次，魚在水里，而漁民在岸上，光是從水中折射入空氣中的，如圖2，光從一種介質斜射入另一種介質中時，傳播方向一般會發生變化，即發生折射現象.圖3表示光從水中進入空氣中發生折射的情況.入射光線AO從水中射入空氣中，在水面發生了反射和折射，折射角∠BON>入射角∠AON′，折射光線OB相對于入射光AO線遠離了法線.

正是因為魚反射的光線從水中進入空氣中，經折射后的光線進入人眼，使人能夠看到水中的魚.

我們來分析漁民看到魚的光路圖.如圖4所示，水中魚有光線從水中折射進空氣中，選擇其中兩條入射光線AB、AC，作出對應的折射光線BD、CE，折射光線相對于入射光線，遠離了法線，折射角大于入射角.由于部分折射光線進入人眼，漁民才看到魚.

實際上，有經驗的漁民在叉魚時，并不是正對著看到的魚所在位置投擲魚叉，而是朝看到的魚稍偏下的位置投擲魚叉.為什么這么做呢？漁民看到的魚是不是處于真實的位置？看到的魚在不在圖中A處？

人眼是根據光的直線傳播來判斷物體位置的.如圖5所示，逆著蠟燭發出的光線，人眼就能看到蠟燭.水中的魚反射出的光經折射后，進入人眼，逆著折射光線，人眼看到的“魚”就是折射光線反向延長線的交點A′，如圖6所示.這種情況與蠟燭光進入人眼引起的視覺感受相同.所以人就會感到A′處有一條“魚”.實際上，A′處并沒有光線發出，它是由射入人眼的折射光線的反向延長線會聚形成的，并不是真實光線會聚而成的，漁民看到的是魚的虛像.由于折射光線相對于入射光線遠離了法線，所以折射光線的反向延長線會聚于真實魚的上方，即真實的魚在我們所看到的“魚”的下方.所以有經驗的漁民叉魚時，總是把魚叉擲向看到“魚”的下方，就是擲向真實的魚.

有同學可能有疑問，如果漁民垂直于水面往下看呢？

選擇魚身上的一點A為研究對象，實際上由于人眼對A點有一定的張角，當垂直往下看時，張角很小，入射光線也不是都垂直于水面，而是與垂直方向有較小的角度.設從A發出兩根很靠近的光線，如圖7所示：一條垂直于水面入射，傳播方向保持不變.另一條入射光線與垂直方向有較小的角度，入射角非常小.這條入射光線進入空氣中發生折射.折射光線也遠離法線.上述兩條入射光線對應的折射光線反向延長，會聚于A′點.A′點就是A的像.A′到水面的垂直距離，就代表了看到的魚的位置.這樣看來，真實的魚也在看到的“魚”的下方.實際上，漁民叉魚時，一般是不會從上面垂直觀察的.

如果是潛水員在水中看到水下的魚，那么他看到的魚的位置既沒有偏高也沒有偏低.這是因為，光是在同一種介質——水中傳播的，在傳播的過程中，光是沿著直線傳播的.所以潛水員看到的魚就是真實的魚.

原來，漁民叉魚的過程中，包含了這么多跟光有關的物理知識.實際生活中很多現象和應用都能用物理知識來解釋.只要平時留心觀察，并認真分析思考，積極探究，你一定會發現物理知識在生活中得到了廣泛的應用！