以演示實(shí)驗(yàn)為手段探究海市蜃樓現(xiàn)象成因 陳洪云/丁哲 【專(zhuān)題名稱(chēng)】中學(xué)物理教與學(xué) 【專(zhuān) 題 號(hào)】G36 【復(fù)印期號(hào)】2010年10期 【原文出處】《中學(xué)物理》(哈爾濱)2010年9期第19～21頁(yè) 【作者簡(jiǎn)介】陳洪云、丁哲，天津師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院（天津　300000）。 【關(guān) 鍵 詞】EEUU 引言 夏天在平靜無(wú)風(fēng)的海面上，或炎熱的沙漠地帶，人們有時(shí)能看到山峰、船舶、樓臺(tái)、亭閣、集市、廟宇等出現(xiàn)。這種現(xiàn)象人們叫它海市蜃樓，也叫蜃景。海面上的蜃景由于像比實(shí)物高出許多，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為上現(xiàn)蜃景。沙漠地帶的蜃景叫做下現(xiàn)蜃景。在我國(guó)，海面上的蜃景多出現(xiàn)在蓬萊和青島一帶。 現(xiàn)代研究顯示“海市蜃樓”是大氣中的光學(xué)現(xiàn)象。從目前的資料來(lái)看，對(duì)“海市蜃樓”現(xiàn)象的解釋有如下幾種：有些研究者認(rèn)為海市蜃樓現(xiàn)象是光的折射現(xiàn)象；一般研究者認(rèn)為該現(xiàn)象是光的折射及全反射現(xiàn)象。最近有人利用線(xiàn)性變折射率模型，定量分析了海市蜃樓現(xiàn)象。導(dǎo)出大氣中的光線(xiàn)方程，并研究了蜃像位置與觀(guān)察者的關(guān)系，尋求海市蜃樓成因。其實(shí)，對(duì)于自然界的海市蜃樓景象，有的正立空中；有的倒掛海面。有時(shí)清晰逼真；有時(shí)若隱若現(xiàn)。有的存留時(shí)間是五六天，有的僅存留幾小時(shí)。這種自然景觀(guān)，隨時(shí)隨著大氣條件的變化而變化，看上去確實(shí)神秘莫測(cè)。所以人們對(duì)于蜃景的解釋?zhuān)^多的是理論猜測(cè)。本文擬從演示實(shí)驗(yàn)入手，通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索自然界海市蜃樓現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，揭示現(xiàn)象的規(guī)律。 一、海市蜃樓演示實(shí)驗(yàn)概述 自然界中海市蜃樓現(xiàn)象并不多見(jiàn)，對(duì)該現(xiàn)象的研究存在一定的困難。但在實(shí)驗(yàn)室里可以實(shí)現(xiàn)蜃景的模擬演示。具體做法是在一個(gè)前、后透光的金屬外殼中，放置一個(gè)透明的玻璃池，玻璃池中可以裝入透光介質(zhì)。在水槽的后面載物臺(tái)上放置一個(gè)景物。景物的斜上方安裝有一個(gè)光源。光源發(fā)出的光正好照射在景物上。光線(xiàn)被景物反射后通過(guò)水池中的介質(zhì)，光線(xiàn)通過(guò)介質(zhì)時(shí)與介質(zhì)相互作用，觀(guān)察者在玻璃池前端觀(guān)察窗中能看到景物所成的像。 1.液體介質(zhì)的配制 將裝置門(mén)打開(kāi)，向水池內(nèi)注入半池的清水，再將3kg的食鹽放入清水中，用玻璃棒攪拌，使其溶解成近飽和狀態(tài)，再在其液面上放一張薄塑料膜蓋住下面的食鹽溶液，再在薄膜上慢慢注入半池清水，水面穩(wěn)定后，將薄膜輕輕從一側(cè)抽出。此時(shí)，清水和食鹽水界面分明。由于擴(kuò)散作用，在交界處形成了一個(gè)擴(kuò)散層，擴(kuò)散層中清水和食鹽粒子互相擴(kuò)散。液體的密度由下向上逐漸減小，產(chǎn)生一個(gè)密度逐層變化的光介質(zhì)。 景物采用三個(gè)由高、低不同的A、B兩個(gè)物體（圖1），放置在物臺(tái)距水箱底面15 cm的載物臺(tái)上箱中放入高21cm的飽和食鹽水，放入塑料薄膜后，加入清水，水深共37cm。待水穩(wěn)定后抽出薄膜，靜置30約分鐘后便可以從觀(guān)察窗中觀(guān)察成像情況。 圖1 2.成像數(shù)據(jù)記錄 當(dāng)自下而上分別從觀(guān)察窗中不同高度觀(guān)察景物所成的像，可以分為表1所示的如下幾種情況。 表1 　　　　　　　成正立的像。當(dāng)觀(guān)察者所在觀(guān)察位置自15cm以下　　 下而上移動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)所成像由小變大，且　　　　　　　像的底部高度基本不變。15cm～21cm　　成正立放大的像。在15 cm處像上部開(kāi)　　　　　　　始變亮，當(dāng)觀(guān)察位置自下而上移動(dòng)時(shí)，正　　　　　　　立的像不再變大，在食鹽水與清水界面　　　　　　　層以下成倒立的像，在界面以上看到縮　　　　　　　小正立的像。繼續(xù)向上改變觀(guān)察位置，　　　　　　　可看到倒立的像開(kāi)始向下伸長(zhǎng)。21cm　　　　　倒立的像消失，只看到正立縮小的像。21cm～37cm　　隨觀(guān)察位置自下而上移動(dòng)時(shí)，正立的像　　　　　　　逐漸變大 表2是在觀(guān)察窗中的30cm處、20cm、12cm的高度觀(guān)察到的實(shí)景物所成像的描述和照片。 由于在第二觀(guān)察點(diǎn)看到的三個(gè)像交叉重疊，成像觀(guān)察起來(lái)難以分辨正立還是倒立，為了便于識(shí)別，將景物改為高度較小的條形磁體。圖5是在20 cm處看到的磁鐵成像情況。從磁體N、S極可以判斷磁鐵成像是正立、倒立。從中可以看到，自下而上是正立、倒立、正立的三個(gè)像。 3.實(shí)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)及其現(xiàn)象分析 (1)成像規(guī)律總結(jié) 在整個(gè)觀(guān)察過(guò)程中，既有正立、又有倒立的像呈現(xiàn)。從表1可以看出，所處不同觀(guān)察位置會(huì)看到不同的成像結(jié)果。但具有一定的規(guī)律性。整體的規(guī)律可以歸納、總結(jié)如下： ①在高于21cm處的觀(guān)察位置以上，可以看到成正立縮小的像。觀(guān)察位置自21cm處開(kāi)始自下而上移動(dòng)時(shí)，正立的像是逐漸變大，但在有限的觀(guān)察高度內(nèi)沒(méi)有達(dá)到景物的實(shí)際高度。在30cm處成像如圖2所示。 ②觀(guān)察位置在15cm～21cm之間，也就是靠近初始鹽水和清水交界面附近，可以看到從上至下正立、倒立、正立的三個(gè)像，且隨觀(guān)察位置不同看到像的大小不同。在靠15cm處看到成像縮小，向上移動(dòng)視線(xiàn)時(shí)成像變大。在20cm處的成像如圖5所示。 ③在15cm位置觀(guān)察，可以看到正立放大的像。像上部出現(xiàn)亮斑。 ④在15cm以下位置觀(guān)察，可以看到正立的像。當(dāng)觀(guān)察者所在觀(guān)察位置自下而上移動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)所成像由原景物大小開(kāi)始放大，但像的底部高度基本不變。 ⑤能夠觀(guān)察成像的時(shí)間是去掉中間塑料隔膜后20分鐘到10小時(shí)之間的時(shí)間段。8小時(shí)后所有成像開(kāi)始變得模糊不清。 (2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析 設(shè)光源發(fā)出一束平行光，照射到載物臺(tái)的景物上。 所以根據(jù)折射定律： 從公式(1)可看到，光在不斷地從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播過(guò)程中，它將不斷地發(fā)生折射，由于，所以折射角逐漸增大，光線(xiàn)會(huì)越來(lái)越偏離法線(xiàn)，又由于法線(xiàn)是一族平行線(xiàn)，所以從下層光密介質(zhì)進(jìn)入上層光疏介質(zhì)的入射角不斷增大。如果光線(xiàn)入射角度沒(méi)有達(dá)到臨界角之前被觀(guān)察到，則觀(guān)察者看到的是折射后所成的正立的像。 光線(xiàn)在鹽水介質(zhì)中傳播過(guò)程中，入射角逐漸變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)觀(guān)察位置之前，首先達(dá)到了臨界角γ時(shí)，將發(fā)生全反射。 從(2)式可得光線(xiàn)在傳播過(guò)程中是否發(fā)生全反射由物體發(fā)出光線(xiàn)進(jìn)入介質(zhì)的角度、介質(zhì)折射率梯度決定。下面分析在不同位置觀(guān)察到的結(jié)果。 (1)在高于21cm處處觀(guān)察到成像，和低于15cm處觀(guān)察到正立的像 這兩個(gè)正立的像都是因?yàn)楣饩€(xiàn)的折射而形成。光路如下頁(yè)圖6中的所示。兩個(gè)正立像的傳播光路的區(qū)別就在于，在觀(guān)察點(diǎn)21cm以上觀(guān)察到的像是入射到介質(zhì)時(shí)的入射角非常小，中間經(jīng)過(guò)清水和飽和食鹽水的界面（濃度梯度較大位置）時(shí)發(fā)生大角度的偏折，但折射后進(jìn)入下一層時(shí)沒(méi)有達(dá)到臨界角。所以在21cm處成像仍為光線(xiàn)折射后形成。 (2)從20cm處觀(guān)察到成像的解釋 依據(jù)公式(2)，光線(xiàn)在鹽水介質(zhì)中傳播過(guò)程中，入射角逐漸變大，當(dāng)達(dá)到臨界角γ時(shí)，發(fā)生全反射。 圖6 從20cm處觀(guān)察到的像如圖7所示，從上至下正立、倒立、正立三個(gè)像.從光路分析可以知道，在20cm觀(guān)察點(diǎn)看到最上端的正立像是入射到介質(zhì)的入射角較大的入射光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)了介質(zhì)梯度大的液面后在不同的值介質(zhì)層中發(fā)生全反射后所成正立的像。也就是說(shuō)，景物最高點(diǎn)再上層介質(zhì)中發(fā)生全反射，景物最低點(diǎn)再下層介質(zhì)中發(fā)生全反射，所以全反射發(fā)生后仍然成正立的像。中間倒立的像是入射角較大的光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)濃度梯度較大界面時(shí)同時(shí)發(fā)生全反射形成的像。倒立像下方的正立的像是景物發(fā)出入射角更大的光線(xiàn)在清水、鹽水界面以下，濃度梯度較大位置處發(fā)生在不同介質(zhì)層內(nèi)的全反射現(xiàn)象。所以成正立的像。 圖7 從以上成像結(jié)果也可以得到如下結(jié)論： 第一，在清水和鹽水界面處在一定的時(shí)間范圍內(nèi)存在較大的濃度梯度。 第二，發(fā)光（或反射光）物體在濃度不同的介質(zhì)中所成倒立的像，除了與物體發(fā)出光線(xiàn)的角度有關(guān)外，還與介質(zhì)存在濃度梯度較大的有限區(qū)域有關(guān)。 第三，發(fā)光物體發(fā)出的光線(xiàn)在同一介質(zhì)層內(nèi)介質(zhì)內(nèi)發(fā)生的全反射，或物體最高點(diǎn)在較低介質(zhì)層內(nèi)先發(fā)生全反射時(shí)出現(xiàn)倒立的像。在不同介質(zhì)層發(fā)生全反射，但物體最高點(diǎn)在介質(zhì)層的較高位置發(fā)生的全反射所成像為正立的像。 二、根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)空中海市蜃樓現(xiàn)象的推斷 根據(jù)以上在鹽水介質(zhì)中對(duì)大氣中的海市蜃樓現(xiàn)象的模擬，我們可以得到以下幾點(diǎn)。 第一、海面上空有三種情況可以形成正立海市蜃樓 ①景物發(fā)出的光線(xiàn)進(jìn)入傳播介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角比較小時(shí)，使光線(xiàn)在通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射可以形成正立像； ②當(dāng)入射角比較大時(shí)，使光線(xiàn)在通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)未發(fā)生全反射所成的像仍為正立的像。 ③如果入射角度居于以上兩者之間，使光線(xiàn)在通過(guò)不均勻介質(zhì)層時(shí)，在不同介質(zhì)層發(fā)生全發(fā)射，景物底部發(fā)出光線(xiàn)首先發(fā)生全反射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)正立的像。 通過(guò)以上分析可以看出，自然界中出現(xiàn)海市蜃樓的現(xiàn)象呈現(xiàn)正立的像較多，倒立的像較少，但正立的像可能是光線(xiàn)折射后所成像，也可能是在不同介質(zhì)層發(fā)生全反射所形成的像。 第二、景物發(fā)出的光線(xiàn)進(jìn)入傳播介質(zhì)時(shí)，如果傳播光線(xiàn)在不同介質(zhì)層發(fā)生全發(fā)射，景物頂部發(fā)出光線(xiàn)首先發(fā)生全反射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)倒立的像。如果景物頂部發(fā)出光線(xiàn)與底部發(fā)出的光線(xiàn)在同一層介質(zhì)中發(fā)生全反射時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)倒立的像。 第三、從以上兩點(diǎn)可以看到，出現(xiàn)正立海市蜃樓圖像的機(jī)會(huì)要大于出現(xiàn)倒立像的機(jī)會(huì)。 第四、若空氣介質(zhì)層不穩(wěn)定，隨著介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)蜃景會(huì)出現(xiàn)若隱若現(xiàn)，千奇百怪，變化莫測(cè)的各種景象。 三、結(jié)論 從以上實(shí)驗(yàn)分析可以看到：海面上的海市蜃樓是氣溫高、陽(yáng)光充足、無(wú)風(fēng)、海水涼爽的條件下，景物所發(fā)出或反射的光線(xiàn)在空氣介質(zhì)密度由下至上逐漸減小的環(huán)境里形成的。形成正立的像還是倒立的像并不是由是否發(fā)生全反射來(lái)決定。而是由景物發(fā)出光線(xiàn)到空氣介質(zhì)的入射角、空氣介質(zhì)是否具有較大的密度梯度以及觀(guān)察位置而決定。當(dāng)海市蜃樓出現(xiàn)時(shí)，處在不同的觀(guān)察位置（主要是不同的高度）所觀(guān)察到的蜃景是不同。在有些位置看到的是倒立的像，有些位置看到的是正立的像。有些位置看到正立縮小的像；有些是正立放大的像。從海市蜃樓演示實(shí)驗(yàn)的研究也可以看出，演示實(shí)驗(yàn)又為我們進(jìn)一步研究變化莫測(cè)得自然現(xiàn)象，提供了一種有力的研究手段。^NU1DA20101202