Если опустить ложку или карандаш в прозрачный стакан с водой, предмет у поверхности будто смещается и изгибается. На самом деле он остаётся прямым. Иллюзия возникает потому, что лучи света меняют направление, когда переходят из воды в воздух.
Свет идёт через воду и воздух по-разному
Скорость распространения света зависит от среды. В воде она меньше, чем в воздухе, поэтому на границе двух сред луч меняет направление.
Это явление называется преломлением. Угол, под которым луч выходит из воды, отличается от угла, под которым он подходил к границе.
Глаз при этом не «знает», что луч уже успел отклониться. Зрительная система продолжает мысленно продлевать его по прямой назад и помещает подводную часть предмета не совсем туда, где она находится на самом деле.
Подводная часть выглядит смещённой
Свет от ложки под водой сначала проходит через жидкость, затем пересекает границу вода–воздух и только после этого попадает в глаза.
После преломления лучи приходят под другим углом. Из-за этого подводная часть кажется приподнятой или сдвинутой относительно той, что находится над водой.
Именно в районе поверхности возникает заметный «излом»: верхняя часть видна почти без такого смещения, а нижняя — через преломляющую среду.
Эффект зависит от угла наблюдения
Если смотреть почти перпендикулярно поверхности воды, смещение будет меньше. При взгляде под более острым углом эффект становится заметнее.
На результат влияет и форма сосуда. Изогнутые стенки стакана сами дополнительно преломляют свет и могут усиливать искажение.
Поэтому один и тот же предмет в широкой банке, тонком стакане и круглом бокале может выглядеть по-разному.
Та же физика работает и в природе
Преломление объясняет, почему дно бассейна кажется ближе к поверхности, чем есть на самом деле. По той же причине рыба в воде визуально находится не совсем там, где её видит наблюдатель с берега.
Линзы очков, фотообъективов и микроскопов тоже используют контролируемое преломление. Только там форму материала специально подбирают так, чтобы направить лучи в нужное место.
Поэтому «сломанная» ложка в стакане — простой домашний опыт, который показывает один из базовых законов геометрической оптики.