“海市蜃楼”现象成因分析及模拟实验，本文主要内容关键词为：海市蜃楼论文,成因论文,现象论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“海市蜃楼”现象是远处景物反映在天空或地面而形成的幻景，夏天，在海面或沙漠上空有时会出现。“海市蜃楼”现象是怎样形成的呢？因为全反射形成的像应是倒立的，而不是正立的。我们西南师大基础物理实验示范中心将“模拟‘海市蜃楼’现象的观察”实验作为物理学专业四年级创新物理实验研究的重要内容。经过努力，用恒定的不同梯度的液体层来模拟“海市蜃楼”现象的出现，取得了成功。
一、“海市蜃楼”现象成因分析
夏天，在气压恒定的海平面上，空气密度随高度增加而减少，对光的折射率也随之减少，从而形成一具有折射率梯度的空气层，当光线通过此空气层时，将发生偏转。
如图1所示，设一束从远处景a物发出的光线以入射角i由折射率为n处射入空气层，由折射定律得：
可见，当i、n为定值时，由于
，所以r＞i，从下层空气进入上层空气的入射角不断增大，当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时，就会发生全反射，如图1所示。当人眼在A处逆着光线Ab′观察，可以看到经全反射形成的倒立的虚像。当人眼在B处逆着光线Ba′观察，可以看到经折射形成的正立的虚像。
图1
二、用激光观察光路
1.实验器材
70mm×20mm×90mm的长方玻璃容器一个、烧杯两个、食盐、水、激光、搅棒、酒精灯、三角支架及石棉网、白布、透明胶布、不透明纸片。
2.实验准备
(1)制过饱和食盐溶液
烧杯中加入食盐和水后用酒精灯加热，并用搅棒搅拌，再加食盐，保持杯中有少量食盐未溶解，直到沸腾后再继续加热约1分钟。
(2)制具有折射率梯度的扩散层
待食盐溶液冷却后，倒入玻璃容器至一半处，然后将被清水浸湿的白布盖在食盐溶液表面上，再用另一烧杯沿器壁周围的白布往容器中注入水至容器口，最后将白布提出水外（不要引起水晃动），便可以看到明显的食盐溶液与水的分界面，形成一具有折射率梯度的扩散层溶液（折射率从下到上逐渐变小）。
3.观察光路
将不透明的纸片中间剪去一个箭头↑，然后用透明胶布将此纸片贴在容器右侧外界面扩散层处。让激光斜向上射入容器壁照亮箭头，如图2a所示。
调节激光的入射角i′，当i′较大时，激光束在扩散层内发生弯曲，然后射向水中，在水中沿折线传播再经过左边器壁折射出来，用白屏在左边器壁外接收到正立的箭头像，如图2b所示；当i′较小时，激光束在扩散层内发生全反射，弯曲成弧状，经过左边器壁折射出来，用白屏在左边器壁外接收到倒立的箭头像，如图2c所示。
图2
三、模拟实验观察
1.实验器材
100mL烧杯2个、高28mm宽48mm“⊥”型的白铁皮挡板一个、60mm×10mm白铁皮一块、橡皮圈、食盐、水、激光、搅棒、酒精灯、三角支架及石棉网、白布、透明胶布、红色纸、无水酒精。
2.模拟海洋上的“海市蜃楼”现象
(1)制景物
用红色纸剪一等腰三角形，用透明胶布将此三角形贴在白铁皮一端，尖角向上，如图3a所示。
(2)制具有折射率梯度的扩散层
先如(1)方法制过饱和食盐溶液。再将“⊥”型的白铁皮挡板放入烧杯后，如(2)方法制具有折射率梯度的扩散层（开始食盐溶液倒至烧杯中高出挡板5mm左右）。
(3)实验观察
将景物轻轻地放在烧杯右边外侧液体扩散层处，用橡皮圈在杯口固定（注意：挡板要能将三角形景物挡住，使不能观察到从食盐溶液中透射过来再经左边器壁折射出来的像）。从杯左边扩散层下方壁外A处斜向上往杯内观察，上下微调人眼或景物，可看到倒立的景物像，这就是由于下层的折射率大于上层的折射率而产生的全反射现象；从杯左边扩散层上方壁外B处斜向下往杯内观察，可看到正立的景物像，这就是由于折射率不同产生的折射现象，如图3b所示。
3.模拟沙漠上的“海市蜃楼”现象
(1)制具有折射率梯度的扩散层
拿出杯中挡板，倒去溶液并用水清洗后倒入清水至容积的一半处，然后将被无水酒精浸湿的白布盖在杯中水面上（刚接触），再沿杯壁周围的白布往杯中漫漫地倒入无水酒精至杯口，最后轻轻地将白布提出杯外。
(2)实验观察
将景物轻轻地放在烧杯右边外侧液体扩散层处，用橡皮圈在杯口固定。当从杯左边扩散层上方壁外A处斜向下往杯内观察，上下微调人眼或景物，可看到倒立的景物像，这就是由于上层的折射率大于下层的折射率而产生的全反射现象；从杯左边扩散层下方壁外B处斜向上往杯内观察，可看到正立的景物像，这也是由于折射率不同产生的折射现象，如图3c所示。
图3
四、实验结论
上述实验验证了光线在扩散层内发生弯曲的现象，以及经扩散层全反射形成的倒立的像和经折射形成的正立的像。由此说明：“‘海市蜃楼’是由光的折射产生的一种现象”和“‘海市蜃楼’是由光在密度分布不均匀的空气中传播时产生的全反射现象”说法都是正确的。观察到的景物是正立的还是倒立的，只不过是观察的位置不同而已：若人在较高处，逆着弯曲的折射光线看去，可看到经折射形成的悬在空中的正立的虚像；若人在较低处，逆着弯曲的反射光线看去，可看到经全反射形成的悬在空中的倒立的虚像。