第10届全国初中物理知识竞赛第6题:如图1所示,将筷子竖直插入装水的玻璃杯内,从俯视图中的P点沿水平方向看到的应该是图2中的哪个图的情形?
对于此题,许多学生不能正确回答。
笔者在教学中演示此竞赛题的实验时,请学生到讲台上来观察,学生的回答亦如上所说,“筷子向上弯折了”,可坐在座位上的学生却大声回答,“筷子向侧后方弯折了”,如图3。这是为什么呢?如果圆柱形玻璃杯中的水较少,座位上的学生又会发现筷子向侧前方弯折了,如图4,这也是光的折射造成的结果,但为什么讲台上的学生和座位上的学生看到的现象不一样呢?现分析如下。
人在讲台上和在座位上看到的之所以不同,是由于观察者的位置和观察的方向不同。前者是在杯子的斜上方向下观察,由水中筷子上的任一P点射向空气中的光线经水面处发生了折射,到达人眼时觉得光好像是从P′射来的,P′点在P点的上方,如图5所示。后者是从杯子的侧面沿水平方向观察,对照图3,若我们取AA’截面的俯视图,如图6,由于光的折射,P’点为P点的像点(ON为法线),那么筷子的虚像确实向侧后方弯折。同样对照图3,若我们取BB’截面的俯视图,如图7,由于光的折射,Q’点为Q点的像点(ON为法线),则筷子的虚像向侧前方弯折。可以预见,若筷子与水平面的交叉点在圆柱形玻璃杯横截面的圆心处,筷子将不弯折,只是由于折射而变粗了。学生试做后,确实如此。通过以上的实验和分析,可知上面的竞赛题是从杯子的侧面滑水平方向观察,所以应选D。
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