Ну потому что атрибут src в теге img - это отдельный GET-запрос браузера к серверу. Соответственно, он и должен быть обслужен - как отдельный GET-запрос.
Типа:
if(req.url == '/ball.png') {
fs.readFile(__dirname + req.url, function(err, file) {
res.setHeader('Content-Type', 'image/png');
res.end(file);
});
}