有趣的自然现象小实验：海市蜃楼的实验演示装置

“海市蜃楼”装置图

有趣的自然现象小实验实验目的：

利用人工配制的折射率连续变化的介质，演示光在非均匀媒质中传播时，光线弯曲的现象以及模拟自然界昙花一现的海市蜃楼景观。

有趣的自然现象小实验实验器材：

图1“海市蜃楼”演示装置

海市蜃楼演示装置，如图1所示，箱体尺寸为600mm×350mm×450mm。图中，A是水槽；B是实景物；C是激光笔；D是射灯（220V24W）；E是装置门；F是水管入口；G是观看实景物窗口；H是观看光在水槽内传播路径的窗口；K是观看模拟海市蜃楼景观的窗口。

海市蜃楼的实验演示装置原理：

海市蜃楼是一种自然现象，但在被充分认识以前，往往被人们神秘化、甚至迷信化。其实海市蜃楼就是阳光在大气中折射而产生的一种光学现象。当一束光线从一种透明介质到达另一种透明介质时其线路会发生改变,这就是光的折射，如图2所示。图2中ＭＬ为透明介质Ａ、Ｂ的分界面，Ｎ为法线，

为入射角，

为折射角。设光在Ａ中的速度为

，在Ｂ中的速度为

，由折射定律可得：

（1）

图2

通常把光速较快的介质叫光疏介质，把光速较慢的介质叫光密介质。由式（1）可知：光线从光疏介质进入光密介质时，入射角大于折射角，光线折向法线。光线从光密介质进入光疏介质时，入射角小于折射角，光线偏离法线。当光线从光密介质进入光疏介质时，

图3图4

光线偏离法线。显然，在此情形下存在一小于90°的入射角，在这个入射角的作用下，折射角等于90°，折射线掠过分界面，如图3所示。当折射角大于时，折射线就不存在，入射线全部被反射，这种现象叫做全反射，如图4所示。

图5

在自然条件下，如干旱的沙漠，当地面无风而被日光强烈照射时，在地面附近数层空气受到强烈加热变稀，密度变小。然后和上面高密度的空气互相融合交汇，形成很多连续的空气层，每一层上面的密度比下面的密度大。还有在海面上一薄层的水被阳光加热，此时对于水面上层的空气也被阳光显著地加热，同时受水蒸气的影响使空气稀化，密度变小。然后和上面高密度的空气互相融合交汇，也会形成很多相继连续的空气层，每一层上面的密度比下面的密度大。因为空气密度越小，光的速度越快，所以每一层都是光密介质在上，光疏介质在下。形成相继连续的空气层对于入射光发生折射现象。在这种情况下，地面上一物体发出的光线入射到这样的空气层中，入射光线会偏离法线而折射。到最底点发生全反射光线开始向上折射，如果有一人正好站在Ｐ′点处，就会在Ｐ点的下部看到两镜像，上者与物成反倒形而下者则成正立形，如图5所示，这就是我们日常所说的海市蜃楼。

【实验操作与现象】

一、液体的配制

将装置门E打开，水管插入F口内固定好，向水槽内注入深为槽深一半的清水，再将约3Kg食盐放入清水中，用玻璃棒搅，使其溶解成近饱和状态，再在其液面上放一薄塑料膜盖住下面的盐溶液，向膜上慢慢注入清水，直到水槽的水接近满为止，稍后，将薄膜轻轻从槽一侧抽出，此时，清水和食盐水界面分明，大约需6小时以后，由于扩散，界面变没了，在交界处形成了一个扩散层，液体的折射率由下向上逐渐减少，产生一个密度梯度，此时液体配制完成。

二、现象演示

1．打开激光笔C，从水槽侧面窗口H观察光束在非均匀食盐水中弯曲的路径。

2．打开射灯D，照亮实景物，在景物另一侧窗口K处观察模拟的海市蜃楼景观。

【思考题】

1．自然界海市蜃楼的景象，在日常生活中经常看到，特别在炎热的沙漠和湖边更容易看到，但持续的时间短促，转瞬即逝。利用人工方法模拟海市蜃楼，把大自然的壮观幻景再现出来，使人能较长时间观察与研究这种现象。

2．海市蜃楼景象，古时多有描述，宋代著名诗人苏东坡在“海市”一诗中就描写了海市蜃楼的迷人的景色，但并没有得到科学的解释。由于空气不稳定，一阵风就破坏了海市蜃楼的介质条件，把天上的仙境吹得无影无踪。这样更为自然景象蒙上了神秘的色彩。在实验室里，只须搅动一下容器中的“大气”（溶液扩散层），人为的蜃景也随之烟消云散，使观众自然抹去了海市蜃楼的神奇色彩。

3．玻璃容器中的“大气层”随时间不断变化，蜃景也跟着变化。介质密度梯度的起伏都会使蜃景图像产生形变，形成奇离不定的幻影，启发人们深入研究这种现象。