Ce phénomène est dû à la réfraction, qui est la courbure des ondes lumineuses lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre avec des densités optiques différentes. Dans ce cas, les ondes lumineuses provenant du crayon et traversant l’air sont réfractées lorsqu’elles entrent dans l’eau.

Ce changement de direction donne l’impression que le crayon est déplacé ou cassé lorsqu’on le regarde du côté du verre. L'angle selon lequel la lumière se courbe dépend des indices de réfraction des deux milieux et de l'angle selon lequel la lumière frappe la frontière entre eux.

Plus la différence des indices de réfraction est grande, plus la courbure est importante. Étant donné que l'indice de réfraction de l'eau est supérieur à celui de l'air, les ondes lumineuses se courbent plus brusquement lorsqu'elles entrent dans l'eau, ce qui entraîne un déplacement ou une « cassure » plus prononcée de l'apparence du crayon. Cet effet est couramment observé lorsque des objets sont observés au-delà de la frontière entre l'air et l'eau, ce qui les fait apparaître déformés ou déplacés.