有趣的自然現象小實驗：海市蜃樓的實驗演示裝置

“海市蜃樓”裝置圖

有趣的自然現象小實驗實驗目的：

利用人工配製的折射率連續變化的介質，演示光在非均勻媒質中傳播時，光線彎曲的現象以及模擬自然界曇花一現的海市蜃樓景觀。

有趣的自然現象小實驗實驗器材：

圖1“海市蜃樓”演示裝置

海市蜃樓演示裝置，如圖1所示，箱體尺寸為600mm×350mm×450mm。圖中，A是水槽；B是實景物；C是鐳射筆；D是射燈（220V24W）；E是裝置門；F是水管入口；G是觀看實景物視窗；H是觀看光在水槽內傳播路徑的視窗；K是觀看模擬海市蜃樓景觀的視窗。

海市蜃樓的實驗演示裝置原理：

海市蜃樓是一種自然現象，但在被充分認識以前，往往被人們神祕化、甚至迷信化。其實海市蜃樓就是陽光在大氣中折射而產生的一種光學現象。當一束光線從一種透明介質到達另一種透明介質時其線路會發生改變,這就是光的折射，如圖2所示。圖2中ＭＬ為透明介質Ａ、Ｂ的分介面，Ｎ為法線，

為入射角，

為折射角。設光在Ａ中的速度為

，在Ｂ中的速度為

，由折射定律可得：

（1）

圖2

通常把光速較快的介質叫光疏介質，把光速較慢的介質叫光密介質。由式（1）可知：光線從光疏介質進入光密介質時，入射角大於折射角，光線折向法線。光線從光密介質進入光疏介質時，入射角小於折射角，光線偏離法線。當光線從光密介質進入光疏介質時，

圖3圖4

光線偏離法線。顯然，在此情形下存在一小於90°的入射角，在這個入射角的作用下，折射角等於90°，折射線掠過分介面，如圖3所示。當折射角大於時，折射線就不存在，入射線全部被反射，這種現象叫做全反射，如圖4所示。

圖5

在自然條件下，如干旱的沙漠，當地面無風而被日光強烈照射時，在地面附近數層空氣受到強烈加熱變稀，密度變小。然後和上面高密度的空氣互相融合交匯，形成很多連續的空氣層，每一層上面的密度比下面的密度大。還有在海面上一薄層的水被陽光加熱，此時對於水面上層的空氣也被陽光顯著地加熱，同時受水蒸氣的影響使空氣稀化，密度變小。然後和上面高密度的空氣互相融合交匯，也會形成很多相繼連續的空氣層，每一層上面的密度比下面的密度大。因為空氣密度越小，光的速度越快，所以每一層都是光密介質在上，光疏介質在下。形成相繼連續的空氣層對於入射光發生折射現象。在這種情況下，地面上一物體發出的光線入射到這樣的空氣層中，入射光線會偏離法線而折射。到最底點發生全反射光線開始向上折射，如果有一人正好站在Ｐ′點處，就會在Ｐ點的下部看到兩映象，上者與物成反倒形而下者則成正立形，如圖5所示，這就是我們日常所說的海市蜃樓。

【實驗操作與現象】

一、液體的配製

將裝置門E開啟，水管插入F口內固定好，向水槽內注入深為槽深一半的清水，再將約3Kg食鹽放入清水中，用玻璃棒攪，使其溶解成近飽和狀態，再在其液麵上放一薄塑料膜蓋住下面的鹽溶液，向膜上慢慢注入清水，直到水槽的水接近滿為止，稍後，將薄膜輕輕從槽一側抽出，此時，清水和食鹽水介面分明，大約需6小時以後，由於擴散，介面變沒了，在交界處形成了一個擴散層，液體的折射率由下向上逐漸減少，產生一個密度梯度，此時液體配製完成。

二、現象演示

1．開啟鐳射筆C，從水槽側面視窗H觀察光束在非均勻食鹽水中彎曲的路徑。

2．開啟射燈D，照亮實景物，在景物另一側視窗K處觀察模擬的海市蜃樓景觀。

【思考題】

1．自然界海市蜃樓的景象，在日常生活中經常看到，特別在炎熱的沙漠和湖邊更容易看到，但持續的時間短促，轉瞬即逝。利用人工方法模擬海市蜃樓，把大自然的壯觀幻景再現出來，使人能較長時間觀察與研究這種現象。

2．海市蜃樓景象，古時多有描述，宋代著名詩人蘇東坡在“海市”一詩中就描寫了海市蜃樓的迷人的景色，但並沒有得到科學的解釋。由於空氣不穩定，一陣風就破壞了海市蜃樓的介質條件，把天上的仙境吹得無影無蹤。這樣更為自然景象蒙上了神祕的色彩。在實驗室裡，只須攪動一下容器中的“大氣”（溶液擴散層），人為的蜃景也隨之煙消雲散，使觀眾自然抹去了海市蜃樓的神奇色彩。

3．玻璃容器中的“大氣層”隨時間不斷變化，蜃景也跟著變化。介質密度梯度的起伏都會使蜃景影象產生形變，形成奇離不定的幻影，啟發人們深入研究這種現象。