晴天澆水，水滴會變成透鏡把葉子燒焦嗎？
― 一般的葉子，光線聚焦點在葉子下方很深的地方
「大白天幫葉子澆水，水滴會變成放大鏡把葉子燒焦」，這是園藝界常聽到的說法。然而，從水滴的形狀計算光的路徑，會發現一般的葉子上，光線並不會聚在葉面上的某一點。只有在某些特殊條件齊備時，才有可能真的燒焦。
晴天的中午，陽台上的盆栽垂頭喪氣。拿起澆花器時，突然想起有人說過「白天幫葉子澆水會把葉子燒焦」。
的確，葉片上的水滴在陽光下閃閃發亮，就像一顆顆小玻璃珠。放大鏡能把紙燒焦，同樣的事情在葉子上發生，似乎也不是不可能。
但事實真是如此嗎？水滴確實會折射光線。問題在於，折射後的光線「聚在哪裡」。
一般的葉子不會燒焦，只有兩個理由
落在葉子上的水滴並非完整的圓球，而是底部扁平、像包子一樣的形狀。這種形狀的透鏡只能緩慢地折射光線，聚焦點落在葉子下方好幾毫米處。葉子大多厚度不到0.5mm，光線還沒聚完就已經穿透葉片。
經過計算，水滴下方的亮度連日照的2倍都不到。而且水在蒸發時會吸收熱量。水滴所在的位置，反而比周圍更容易被降溫。
放大鏡能把紙燒焦，是因為把光線剛好聚在紙上的一個小點。如果焦點沒對準，同樣的透鏡也燒不焦紙。對水滴來說，這個焦點幾乎總是落在葉子之外。
光線到底聚在哪裡？
光從空氣進入水中時，會在邊界處改變方向。水滴的上表面是圓弧狀，所以越靠外側的光線會被折得越往內，整束光線會逐漸收窄。到這裡，原理和放大鏡是一樣的。
不同的地方在於收窄的強度。請看圖1的左側。即使是半球形的水滴，光線聚成一點的位置，也在葉子表面下方約6mm處。水滴越扁，聚焦點就越深。在葉子表面，光束其實只是稍微變細了一點而已。
難道真的從來不會燒焦嗎？
2010年，匈牙利的一個研究團隊用實驗驗證了這個說法。他們在楓葉、銀杏這類表面光滑的葉子上放水滴，放在強烈的日照下，結果葉子並沒有燒焦的痕跡。
然而，在一種水生蕨類植物上，葉子卻出現了燒焦痕跡。這種葉子表面長滿了防水的細毛。水滴會在毛上保持接近圓球的形狀，稍微浮離葉面。圓球形的透鏡會強烈折射光線，聚焦點就在水滴正下方不遠處。而那個位置，恰好就是葉子表面所在之處（圖1右側）。
研究團隊也確認了，把玻璃珠放在葉子上同樣會燒焦。換句話說，並不是「水滴不會燒東西」，正確的說法是「一般葉子上的水滴，焦點沒有對準」。
盛夏中午不要澆水，主要是出於另一個理由。放在日照下的水管，裡面的水可能已經變得像熱水一樣燙。若直接澆在根部，可能會傷到根。此外，白天澆水，水很快就會蒸發，植物實際能吸收到的水量會減少。如果植物已經枯萎需要澆水，先讓水管的水流一陣子、等水變涼之後再澆，據說白天澆也沒關係。
總結
葉子上的水滴，確實是一種透鏡。但因為底部扁平，光線聚焦點會偏移到葉子下方好幾毫米處，表面亮度連日照的2倍都不到。真正會燒焦的，是水滴被細毛撐起、保持近乎圓球狀浮在葉面上的特殊情況。
透鏡要焦點對準了，才能燒焦東西。
一般葉子上的水滴，焦點並沒有對準。
關於光線精準聚焦在一點時會發生什麼事，放大鏡為什麼能把紙燒起來？有詳細說明。水和空氣交界處光線折射的原理，也可以參考插進水裡的吸管，為什麼看起來彎折了？。
- 在透明資料夾上，用滴管滴一滴水。晴天時，在下方放一張白紙。
- 慢慢把資料夾從紙上抬高，找出水滴陰影中那個亮點變得最小的高度。
- 接著，讓水滴緊貼資料夾放在紙上，比較亮點會有什麼變化。
亮點變得最小，應該是在資料夾抬高幾毫米到1公分左右時。緊貼在一起時，亮點會變得模糊。這正是一般葉子上發生的事。請注意不要直視太陽。
想了解更多 ― 用語、公式、與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「物理」課程範圍
- 高中＋高中的延伸內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（光學、界面科學）的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」教授，是研究人員正在調查中的話題
國中用語：這個現象是有名字的
- 折射：光從空氣進入水等其他介質時，在邊界處改變方向的現象。
- 焦點：穿過透鏡的平行光線聚集的點。把紙放在這個位置，會變得最亮、最熱。
- 接觸角：水滴邊緣處，葉面與水面所形成的角度。角度越小，水滴越扁；角度越大，水滴越圓。
國中高中用公式驗證：葉子表面會變得多亮？
考慮直徑4mm的半球形水滴。這在葉片上的水滴中算是相當圓的形狀，對聚光來說算是有利的形狀。即使如此，我們還是來計算一下葉子表面會變得多亮。
| 用符號表示 | f ＝ n × R ÷ ( n − 1 ) C ＝ ( f ÷ ( f − h ) )² |
| 用文字表示 | 到焦點的深度 ＝ 水的折射率 × 水滴的曲率半徑 ÷（折射率 − 1）。表面亮度倍率 ＝（到焦點的深度 ÷ 葉表面到焦點的距離）的平方 |
| 公式的來源 | 上面的公式，來自空氣與水在一個圓弧邊界處的折射（將司乃耳定律對接近軸線的光線做近似後得出）。下面的公式，則是光量不變的前提下，光束截面積縮小多少、亮度就增加多少的關係 |
| f | 水滴頂端到焦點的深度（單位mm） |
| n | 水的折射率（無單位） |
| R | 水滴圓弧面的半徑（單位mm） |
| h | 水滴的高度（單位mm） |
| C | 葉子表面的亮度是日照的多少倍（無單位） |
| 水的折射率 | 1.33 |
| 水滴圓弧面的半徑（半球形、直徑4mm） | 2 mm |
| 水滴的高度（半球形故與半徑相同） | 2 mm |
| 折射率 × 半徑 | 1.33 × 2 ＝ 2.66 |
| 折射率 − 1 | 1.33 − 1 ＝ 0.33 |
| 到焦點的深度 f（mm） | 2.66 ÷ 0.33 ≒ 8.06 |
| 葉表面到焦點（mm） | 8.06 − 2 ＝ 6.06 |
| 光束寬度的收縮比（倒數） | 8.06 ÷ 6.06 ≒ 1.33 |
| 亮度倍率 C | 1.33 × 1.33 ≒ 1.77 |
焦點在葉子表面下方約6mm處，遠比葉子的厚度（0.5mm以下）深得多。葉子表面的亮度僅為日照的約1.8倍。放大鏡能在焦點對準的一點上，把陽光聚集到數百倍之多，兩者的數量級完全不同。而且這個亮度中，還要扣掉水蒸發所吸收的熱量帶來的效果。
高中高中＋為什麼只有圓球形的水滴能對準焦點
高中高中物理會學到折射定律（折射率的比等於入射角與折射角正弦值的比）以及凸透鏡的焦距。透鏡表面曲率越大，焦距就越短。扁平的水滴表面曲率小，所以焦點會比較遠。
高中＋接近圓球形的水滴，光線進入和離開時各會被折射一次。若只考慮接近軸線的光線，焦點會落在水滴後方表面、距離大約一個半徑的位置。被毛撐離葉面約一個半徑高度的水滴，焦點恰好會與葉子表面重合。這正是圖1右側所呈現的情況。
大學近軸近似的極限，與濕潤現象的物理
本文的計算僅處理接近軸線的光線，屬於近軸近似。實際的水滴中，越靠邊緣的光線聚焦位置越靠前，稱為球面像差，使焦點不是一個點，而是沿軸向延伸的一段區域。要精確分析，需要用司乃耳定律逐條追蹤光線，稱為光線追蹤法。決定水滴形狀的，是表面張力與葉面之間的平衡，這個角度稱為接觸角，可用楊氏方程式表示。細毛或凹凸表面使接觸角超過150度的狀態，稱為超疏水性。
📖 公式推導與延伸內容：司乃耳定律（日文維基百科） ／ 濕潤與接觸角（日文維基百科）
研究還沒完全弄清楚的事
- 野外實際發生的頻率有多高。 實驗已證實燒焦確實可能發生，但野外植物葉片曬傷中，有多少比例是水滴造成的，目前還不清楚。
- 葉子上的毛，是否也是為了避免聚光而演化出的形狀。 大多數有毛的葉子會讓水滴浮起來，但依毛的長度與密度不同，焦點有可能落在葉子之外。植物毛的形狀與光的關係，目前才剛開始被研究。
- 水滴是否會帶來其他傷害。 也有人認為，濕潤的葉子更容易感染病害，這是另一個避免白天澆水的理由，但各種條件下影響的大小，據說會依植物而異。
換句話說，這篇文章的內容，也只是「目前已知範圍內」的解釋。一般的葉子不必太過擔心，這是目前實驗給出的答案。
與教科書的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化一年級「光的折射」「凸透鏡」 | 水滴變成透鏡、焦點位置 |
| 高中 | 物理「折射定律」「透鏡」 | 扁平透鏡焦點較遠的原因 |
| 高中＋ | 物理（延伸）球面折射 | 圓球形水滴焦點落在水滴半徑後方的位置 |
| 大學 | 光學、界面科學 | 球面像差・光線追蹤、接觸角與楊氏方程式 |
| 研究 | 植物生理學、生物光學 | 野外發生頻率、葉毛與光線的關係 |
| ― | 與生活的連結 | 白天澆水只要留意水管裡的熱水即可 |
- Egri, Horváth, Kriska, Horváth (2010) Optics of sunlit water drops on leaves: conditions under which sunburn is possible. New Phytologist 185
- 赫克特（Hecht）《光學》（丸善出版）
- 德熱納、布羅夏爾＝維亞爾、凱萊《表面張力的物理學》（吉岡書店）
- 日本國立天文台 編《理科年表》（丸善出版）水的折射率
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考估算值。結果會因水滴形狀及葉片特性而有所不同。進行實驗時，請勿直視太陽或透鏡聚集的光線。