以演示实验为手段探究海市蜃楼现象成因，本文主要内容关键词为：海市蜃楼论文,成因论文,演示论文,手段论文,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。
引言
夏天在平静无风的海面上，或炎热的沙漠地带，人们有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现。这种现象人们叫它海市蜃楼，也叫蜃景。海面上的蜃景由于像比实物高出许多，这种现象被称为上现蜃景。沙漠地带的蜃景叫做下现蜃景。在我国，海面上的蜃景多出现在蓬莱和青岛一带。
现代研究显示“海市蜃楼”是大气中的光学现象。从目前的资料来看，对“海市蜃楼”现象的解释有如下几种：有些研究者认为海市蜃楼现象是光的折射现象；一般研究者认为该现象是光的折射及全反射现象。最近有人利用线性变折射率模型，定量分析了海市蜃楼现象。导出大气中的光线方程，并研究了蜃像位置与观察者的关系，寻求海市蜃楼成因。其实，对于自然界的海市蜃楼景象，有的正立空中；有的倒挂海面。有时清晰逼真；有时若隐若现。有的存留时间是五六天，有的仅存留几小时。这种自然景观，随时随着大气条件的变化而变化，看上去确实神秘莫测。所以人们对于蜃景的解释，较多的是理论猜测。本文拟从演示实验入手，通过真实的实验现象，探索自然界海市蜃楼现象的产生原因，揭示现象的规律。
一、海市蜃楼演示实验概述
自然界中海市蜃楼现象并不多见，对该现象的研究存在一定的困难。但在实验室里可以实现蜃景的模拟演示。具体做法是在一个前、后透光的金属外壳中，放置一个透明的玻璃池，玻璃池中可以装入透光介质。在水槽的后面载物台上放置一个景物。景物的斜上方安装有一个光源。光源发出的光正好照射在景物上。光线被景物反射后通过水池中的介质，光线通过介质时与介质相互作用，观察者在玻璃池前端观察窗中能看到景物所成的像。
1.液体介质的配制
将装置门打开，向水池内注入半池的清水，再将3kg的食盐放入清水中，用玻璃棒搅拌，使其溶解成近饱和状态，再在其液面上放一张薄塑料膜盖住下面的食盐溶液，再在薄膜上慢慢注入半池清水，水面稳定后，将薄膜轻轻从一侧抽出。此时，清水和食盐水界面分明。由于扩散作用，在交界处形成了一个扩散层，扩散层中清水和食盐粒子互相扩散。液体的密度由下向上逐渐减小，产生一个密度逐层变化的光介质。
景物采用三个由高、低不同的A、B两个物体（图1），放置在物台距水箱底面15 cm的载物台上箱中放入高21cm的饱和食盐水，放入塑料薄膜后，加入清水，水深共37cm。待水稳定后抽出薄膜，静置30约分钟后便可以从观察窗中观察成像情况。
图1
2.成像数据记录
当自下而上分别从观察窗中不同高度观察景物所成的像，可以分为表1所示的如下几种情况。
表1
成正立的像。当观察者所在观察位置自
15cm以下 下而上移动时，发现所成像由小变大，且
像的底部高度基本不变。
15cm～21cm成正立放大的像。在15 cm处像上部开
始变亮，当观察位置自下而上移动时，正
立的像不再变大，在食盐水与清水界面
层以下成倒立的像，在界面以上看到缩
小正立的像。继续向上改变观察位置，
可看到倒立的像开始向下伸长。
21cm 倒立的像消失，只看到正立缩小的像。
21cm～37cm随观察位置自下而上移动时，正立的像
逐渐变大
表2是在观察窗中的30cm处、20cm、12cm的高度观察到的实景物所成像的描述和照片。
由于在第二观察点看到的三个像交叉重叠，成像观察起来难以分辨正立还是倒立，为了便于识别，将景物改为高度较小的条形磁体。图5是在20 cm处看到的磁铁成像情况。从磁体N、S极可以判断磁铁成像是正立、倒立。从中可以看到，自下而上是正立、倒立、正立的三个像。
3.实验规律总结及其现象分析
(1)成像规律总结
在整个观察过程中，既有正立、又有倒立的像呈现。从表1可以看出，所处不同观察位置会看到不同的成像结果。但具有一定的规律性。整体的规律可以归纳、总结如下：
①在高于21cm处的观察位置以上，可以看到成正立缩小的像。观察位置自21cm处开始自下而上移动时，正立的像是逐渐变大，但在有限的观察高度内没有达到景物的实际高度。在30cm处成像如图2所示。
②观察位置在15cm～21cm之间，也就是靠近初始盐水和清水交界面附近，可以看到从上至下正立、倒立、正立的三个像，且随观察位置不同看到像的大小不同。在靠15cm处看到成像缩小，向上移动视线时成像变大。在20cm处的成像如图5所示。
③在15cm位置观察，可以看到正立放大的像。像上部出现亮斑。
④在15cm以下位置观察，可以看到正立的像。当观察者所在观察位置自下而上移动时，发现所成像由原景物大小开始放大，但像的底部高度基本不变。
⑤能够观察成像的时间是去掉中间塑料隔膜后20分钟到10小时之间的时间段。8小时后所有成像开始变得模糊不清。
(2)实验现象分析
设光源发出一束平行光，照射到载物台的景物上。
所以根据折射定律：
从公式(1)可看到，光在不断地从光密介质向光疏介质传播过程中，它将不断地发生折射，由于
，所以折射角逐渐增大，光线会越来越偏离法线，又由于法线是一族平行线，所以从下层光密介质进入上层光疏介质的入射角不断增大。如果光线入射角度没有达到临界角之前被观察到，则观察者看到的是折射后所成的正立的像。
光线在盐水介质中传播过程中，入射角逐渐变大，当到达观察位置之前，首先达到了临界角γ时，将发生全反射。
从(2)式可得光线在传播过程中是否发生全反射由物体发出光线进入介质的角度、介质折射率梯度决定。下面分析在不同位置观察到的结果。
(1)在高于21cm处处观察到成像，和低于15cm处观察到正立的像
这两个正立的像都是因为光线的折射而形成。光路如下页图6中的
所示。两个正立像的传播光路的区别就在于，在观察点21cm以上观察到的像是入射到介质时的入射角非常小，中间经过清水和饱和食盐水的界面（浓度梯度较大位置）时发生大角度的偏折，但折射后进入下一层时没有达到临界角。所以在21cm处成像仍为光线折射后形成。
(2)从20cm处观察到成像的解释
依据公式(2)，光线在盐水介质中传播过程中，入射角逐渐变大，当达到临界角γ时，发生全反射。
图6
从20cm处观察到的像如图7所示，从上至下正立、倒立、正立三个像.从光路分析可以知道，在20cm观察点看到最上端的正立像是入射到介质的入射角较大的入射光线，经过了介质梯度大的液面后在不同的值介质层中发生全反射后所成正立的像。也就是说，景物最高点再上层介质中发生全反射，景物最低点再下层介质中发生全反射，所以全反射发生后仍然成正立的像。中间倒立的像是入射角较大的光线，经过浓度梯度较大界面时同时发生全反射形成的像。倒立像下方的正立的像是景物发出入射角更大的光线在清水、盐水界面以下，浓度梯度较大位置处发生在不同介质层内的全反射现象。所以成正立的像。
图7
从以上成像结果也可以得到如下结论：
第一，在清水和盐水界面处在一定的时间范围内存在较大的浓度梯度。
第二，发光（或反射光）物体在浓度不同的介质中所成倒立的像，除了与物体发出光线的角度有关外，还与介质存在浓度梯度较大的有限区域有关。
第三，发光物体发出的光线在同一介质层内介质内发生的全反射，或物体最高点在较低介质层内先发生全反射时出现倒立的像。在不同介质层发生全反射，但物体最高点在介质层的较高位置发生的全反射所成像为正立的像。
二、根据演示实验对空中海市蜃楼现象的推断
根据以上在盐水介质中对大气中的海市蜃楼现象的模拟，我们可以得到以下几点。
第一、海面上空有三种情况可以形成正立海市蜃楼
①景物发出的光线进入传播介质时，当入射角比较小时，使光线在通过不均匀介质时发生折射可以形成正立像；
②当入射角比较大时，使光线在通过不均匀介质时未发生全反射所成的像仍为正立的像。
③如果入射角度居于以上两者之间，使光线在通过不均匀介质层时，在不同介质层发生全发射，景物底部发出光线首先发生全反射时，会出现正立的像。
通过以上分析可以看出，自然界中出现海市蜃楼的现象呈现正立的像较多，倒立的像较少，但正立的像可能是光线折射后所成像，也可能是在不同介质层发生全反射所形成的像。
第二、景物发出的光线进入传播介质时，如果传播光线在不同介质层发生全发射，景物顶部发出光线首先发生全反射时，会出现倒立的像。如果景物顶部发出光线与底部发出的光线在同一层介质中发生全反射时，也会出现倒立的像。
第三、从以上两点可以看到，出现正立海市蜃楼图像的机会要大于出现倒立像的机会。
第四、若空气介质层不稳定，随着介质的运动蜃景会出现若隐若现，千奇百怪，变化莫测的各种景象。
三、结论
从以上实验分析可以看到：海面上的海市蜃楼是气温高、阳光充足、无风、海水凉爽的条件下，景物所发出或反射的光线在空气介质密度由下至上逐渐减小的环境里形成的。形成正立的像还是倒立的像并不是由是否发生全反射来决定。而是由景物发出光线到空气介质的入射角、空气介质是否具有较大的密度梯度以及观察位置而决定。当海市蜃楼出现时，处在不同的观察位置（主要是不同的高度）所观察到的蜃景是不同。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。有些位置看到正立缩小的像；有些是正立放大的像。从海市蜃楼演示实验的研究也可以看出，演示实验又为我们进一步研究变化莫测得自然现象，提供了一种有力的研究手段。