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1、以演示實驗為手段探究海市蜃樓現(xiàn)象成因 陳洪云/丁哲 【專題名稱】中學物理教與學 【專 題 號】G36 【復印期號】2010年10期 【原文出處】《中學物理》(哈爾濱)2010年9期第19～21頁 【作者簡介】陳洪云、丁哲，天津師范大學物理與電子信息學院（天津　300000）。 【關(guān) 鍵 詞】EEUU 引言 夏天在平靜無風的海面上，或炎熱的沙漠地帶，人們有時能看到山峰、船舶、樓臺、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物高出許多，這種現(xiàn)象被稱為上現(xiàn)蜃景。沙漠地帶的蜃景叫做下現(xiàn)蜃景。在我國，海面上的蜃景多出現(xiàn)在蓬萊和青島一帶。 現(xiàn)

2、代研究顯示“海市蜃樓”是大氣中的光學現(xiàn)象。從目前的資料來看，對“海市蜃樓”現(xiàn)象的解釋有如下幾種：有些研究者認為海市蜃樓現(xiàn)象是光的折射現(xiàn)象；一般研究者認為該現(xiàn)象是光的折射及全反射現(xiàn)象。最近有人利用線性變折射率模型，定量分析了海市蜃樓現(xiàn)象。導出大氣中的光線方程，并研究了蜃像位置與觀察者的關(guān)系，尋求海市蜃樓成因。其實，對于自然界的海市蜃樓景象，有的正立空中；有的倒掛海面。有時清晰逼真；有時若隱若現(xiàn)。有的存留時間是五六天，有的僅存留幾小時。這種自然景觀，隨時隨著大氣條件的變化而變化，看上去確實神秘莫測。所以人們對于蜃景的解釋，較多的是理論猜測。本文擬從演示實驗入手，通過真實的實驗現(xiàn)象，探索自然界海市蜃

3、樓現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，揭示現(xiàn)象的規(guī)律。 一、海市蜃樓演示實驗概述 自然界中海市蜃樓現(xiàn)象并不多見，對該現(xiàn)象的研究存在一定的困難。但在實驗室里可以實現(xiàn)蜃景的模擬演示。具體做法是在一個前、后透光的金屬外殼中，放置一個透明的玻璃池，玻璃池中可以裝入透光介質(zhì)。在水槽的后面載物臺上放置一個景物。景物的斜上方安裝有一個光源。光源發(fā)出的光正好照射在景物上。光線被景物反射后通過水池中的介質(zhì)，光線通過介質(zhì)時與介質(zhì)相互作用，觀察者在玻璃池前端觀察窗中能看到景物所成的像。 1.液體介質(zhì)的配制 將裝置門打開，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

4、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，清水和食鹽水界面分明。由于擴散作用，在交界處形成了一個擴散層，擴散層中清水和食鹽粒子互相擴散。液體的密度由下向上逐漸減小，產(chǎn)生一個密度逐層變化的光介質(zhì)。 景物采用三個由高、低不同的A、B兩個物體（圖1），放置在物臺距水箱底面15 cm的載物臺上箱中放入高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察窗中觀察成像情況。 圖1 2.成像數(shù)據(jù)記錄 當自下而上分別從觀察窗中不同高度觀察景物所成的像，可以分為表1所示的如下幾種情況。

5、 表1 　　　　　　　成正立的像。當觀察者所在觀察位置自15cm以下　　 下而上移動時，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　　　　　　　始變亮，當觀察位置自下而上移動時，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)向上改變觀察位置，　　　　　　　可看到倒立的像開始向下伸長。21cm　　　　　倒立的像消失，只看到正立縮小的像。21cm～37cm　　隨觀察位置自下而上移動時，正立的像　　　　　　　逐漸變大 表2是在觀察窗中的

6、30cm處、20cm、12cm的高度觀察到的實景物所成像的描述和照片。 由于在第二觀察點看到的三個像交叉重疊，成像觀察起來難以分辨正立還是倒立，為了便于識別，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、正立的三個像。 3.實驗規(guī)律總結(jié)及其現(xiàn)象分析 (1)成像規(guī)律總結(jié) 在整個觀察過程中，既有正立、又有倒立的像呈現(xiàn)。從表1可以看出，所處不同觀察位置會看到不同的成像結(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處的觀察位置以上，可以看到成正立縮小的像。觀

7、察位置自21cm處開始自下而上移動時，正立的像是逐漸變大，但在有限的觀察高度內(nèi)沒有達到景物的實際高度。在30cm處成像如圖2所示。 ②觀察位置在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、正立的三個像，且隨觀察位置不同看到像的大小不同。在靠15cm處看到成像縮小，向上移動視線時成像變大。在20cm處的成像如圖5所示。 ③在15cm位置觀察，可以看到正立放大的像。像上部出現(xiàn)亮斑。 ④在15cm以下位置觀察，可以看到正立的像。當觀察者所在觀察位置自下而上移動時，發(fā)現(xiàn)所成像由原景物大小開始放大，但像的底部高度基本不變。 ⑤能夠觀察成像的時間是去掉中

8、間塑料隔膜后20分鐘到10小時之間的時間段。8小時后所有成像開始變得模糊不清。 (2)實驗現(xiàn)象分析 設(shè)光源發(fā)出一束平行光，照射到載物臺的景物上。 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，光線會越來越偏離法線，又由于法線是一族平行線，所以從下層光密介質(zhì)進入上層光疏介質(zhì)的入射角不斷增大。如果光線入射角度沒有達到臨界角之前被觀察到，則觀察者看到的是折射后所成的正立的像。 光線在鹽水介質(zhì)中傳播過程中，入射角逐漸變大，當?shù)竭_觀察位置之前，首先達到了臨界角γ時，將發(fā)生全反射。 從(2)式可得光線

9、在傳播過程中是否發(fā)生全反射由物體發(fā)出光線進入介質(zhì)的角度、介質(zhì)折射率梯度決定。下面分析在不同位置觀察到的結(jié)果。 (1)在高于21cm處處觀察到成像，和低于15cm處觀察到正立的像 這兩個正立的像都是因為光線的折射而形成。光路如下頁圖6中的所示。兩個正立像的傳播光路的區(qū)別就在于，在觀察點21cm以上觀察到的像是入射到介質(zhì)時的入射角非常小，中間經(jīng)過清水和飽和食鹽水的界面（濃度梯度較大位置）時發(fā)生大角度的偏折，但折射后進入下一層時沒有達到臨界角。所以在21cm處成像仍為光線折射后形成。 (2)從20cm處觀察到成像的解釋 依據(jù)公式(2)，光線在鹽水介質(zhì)中傳播過程中，入射角逐漸變大，當達到臨界角

10、γ時，發(fā)生全反射。 圖6 從20cm處觀察到的像如圖7所示，從上至下正立、倒立、正立三個像.從光路分析可以知道，在20cm觀察點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，經(jīng)過了介質(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，景物最高點再上層介質(zhì)中發(fā)生全反射，景物最低點再下層介質(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，經(jīng)過濃度梯度較大界面時同時發(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

11、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，或物體最高點在較低介質(zhì)層內(nèi)先發(fā)生全反射時出現(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)演示實驗對空中海市蜃樓現(xiàn)象的推斷 根據(jù)以上在鹽水介質(zhì)中對大氣中的海市蜃樓現(xiàn)象的模擬，我們可以得到以下幾點。 第一、海面上空有三種情況可以形成正立海市蜃樓

12、 ①景物發(fā)出的光線進入傳播介質(zhì)時，當入射角比較小時，使光線在通過不均勻介質(zhì)時發(fā)生折射可以形成正立像； ②當入射角比較大時，使光線在通過不均勻介質(zhì)時未發(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，使光線在通過不均勻介質(zhì)層時，在不同介質(zhì)層發(fā)生全發(fā)射，景物底部發(fā)出光線首先發(fā)生全反射時，會出現(xiàn)正立的像。 通過以上分析可以看出，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)出的光線進入傳播介質(zhì)時，如果傳播光線在不同介質(zhì)層發(fā)生全發(fā)射，景物頂部發(fā)出光線首先發(fā)生全反射時，會出現(xiàn)倒立

13、的像。如果景物頂部發(fā)出光線與底部發(fā)出的光線在同一層介質(zhì)中發(fā)生全反射時，也會出現(xiàn)倒立的像。 第三、從以上兩點可以看到，出現(xiàn)正立海市蜃樓圖像的機會要大于出現(xiàn)倒立像的機會。 第四、若空氣介質(zhì)層不穩(wěn)定，隨著介質(zhì)的運動蜃景會出現(xiàn)若隱若現(xiàn)，千奇百怪，變化莫測的各種景象。 三、結(jié)論 從以上實驗分析可以看到：海面上的海市蜃樓是氣溫高、陽光充足、無風、海水涼爽的條件下，景物所發(fā)出或反射的光線在空氣介質(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)生全反射來決定。而是由景物發(fā)出光線到空氣介質(zhì)的入射角、空氣介質(zhì)是否具有較大的密度梯度以及觀察位置而決定。當海市蜃樓出現(xiàn)時，處在不同的觀察位置（主要是不同的高度）所觀察到的蜃景是不同。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。從海市蜃樓演示實驗的研究也可以看出，演示實驗又為我們進一步研究變化莫測得自然現(xiàn)象，提供了一種有力的研究手段。^NU1DA20101202