人在水里怎样才能看清东西

人在水里怎样才能看清东西 哈尔滨师范大学郑德杨官方网站www.zhengdeyang.com 人在水里怎样才能看清东西 鱼儿在水里自然会看清东西,但正常情况下,如果人潜入水中睁开双眼(刚开始会不 慢慢就会好的),却无论如何也不能看清水中的东西,这是为什么呢? 太适应, 1、简化眼 人眼是一个十分复杂的光学系统,入射光线进入人眼要经过多次折射才能到达视网膜上成像。为分析问题方便,人们提出了几种不同的与实际相符的简化眼模型。目前一致认可的是:简化眼是一个单折射球面系统,折射球面的半径为r=5。7 mm、视网膜的球面半径为r视=9。8 mm,球面内侧的折射率n′=43。图1所示,平行于主轴的入射光线AB以入射角i射入人眼,假设球外介质的折射率为n(人在空气中n=1),C点为球心,则折射光线BF的折射角i′?nn′i(只考虑近轴光线,i、i′很小),F为眼睛的焦点,f′为人眼的像方焦距。于是?BFC=i-i′=n′-nn′i,假设B点到主轴的距离为h,OG近似重合,则 tan i?i?h/r, (1) tan(i-i′)?i—i′?(n′-n)*i/n′?f′/h (2) (1) 、(2)两式相比得:f′=n′/(n′-n)r (3) 当n′=4/3,n=1时有f′=22.8 mm,即人眼的像方焦距约2 cm左右。这表明人眼是一个具有较强会聚能力的光学系统。而如果人潜入水中,则n′?n,n′只比n稍稍大一些,由(3)式可知,这时导致人眼的像方焦距f′变得非常大,即水中的人眼对光线基本上无会聚能力,或者讲会聚能力很差,在上述r视=9.8 mm的视网膜上根本无法成像,当然也就无法看清东西了。水中的人眼变成了极端的远视眼。 哈尔滨师范大学郑德杨官方网站www.zhengdeyang.com 2、水里看物可采取的几种办法 (1) 戴上潜水镜(游泳镜) 当我们从水面上方,或从侧面透过玻璃都能很容易地看到在矩形的玻璃鱼缸中游动的鱼,此时人眼与玻璃板之间的介质是空气。潜水镜的作用就是避免了人眼与水的直接接触,在人眼与水之间制造了一个空气层。所以人戴上潜水镜(一般是采用平板玻璃制作)在水下看物体,会与在空气中观察和自己距离很近(人眼贴近鱼缸)的矩形玻璃鱼缸中的鱼儿一样清楚。 (2) 高度近视的人 f′=22.8 mm为正常眼的像方焦距。对于高度近视的人,其眼睛的像方焦距要小得很多,即近视眼比正常眼的会聚能力强,高度近视眼的会聚能力则更强,所以近视眼需要配戴凹透镜(在空气中为发散透镜),目的是对入射光线进行发散、减弱近视眼的会聚能力,从而矫正视力。当人在水里时,人眼的像方焦距明显变大,即会聚能力明显减弱。碰巧的话,如果在水中的人是高度近视,其眼的像方焦距有可能变大到接近22.8 mm,从而基本上能看清水中的物体。 (3) 戴上焦距很小的玻璃凸透镜 既然人眼在水里时的会聚能力变差,我们就可以通过配戴(眼睛与透镜之间是水)一个焦距很小,即会聚能力很强的玻璃凸透镜以帮助会聚。如图2所示的双凸玻璃透镜的材质折射率为n材,其周围介质的折射率为n介,与左侧球面相应的球面半径为r1,与右侧球面相应的球面半径为r2。可推出[1]透镜焦距 f=1/[(n材-n介)(1r1+r12)] (4) (为方便中学生,这里没有采用文献中的符号法则,r1、r2均为正数)。由(4)式知:为使配戴的透镜焦距小,应保证r1、r2尽可能小,但r1、r2太小会导致成像质量下降;还应尽量增大n材—n介的差值,而玻璃凸透镜在水里时n介=n水=1.33,故如果使用的透镜玻璃为折射率是1.5的普通冕牌玻璃的话就显得太小了。材质玻璃若使用折射率接近2的高折射率铅玻璃,就会制作出在水中亦有很强会聚能力的凸透镜,满足在水里观察物体的需求。 哈尔滨师范大学郑德杨官方网站www.zhengdeyang.com (4) 戴上“空气凹透镜” 图3所示,用很薄的透明材料(很薄意味着其本身对光线的作用可以忽略)封闭一层 就组成了一个“空气凹透镜”。玻璃材质的凹透镜在空气中中央比两边薄的薄空气层, (n玻璃>n空气)为发散透镜,但图3所示的“空气凹透镜”在中(n材=n空气教程

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