海市蜃樓現(xiàn)象的光學(xué)分析

(江蘇省宜興第一中學(xué)，江蘇 宜興 214200)

海市蜃樓是一種奇特的自然現(xiàn)象.我國(guó)古代傳說(shuō)認(rèn)為“蜃乃蛟龍之屬，能吐氣而成樓臺(tái)城廓”，又認(rèn)為海市是“海上神仙的住所，它位于虛無(wú)飄渺間”，因此得名.

隨著科學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)已知海市蜃樓是一種光線(xiàn)在大氣中因?yàn)檎凵浜腿瓷涠a(chǎn)生的奇妙光學(xué)現(xiàn)象.本文從光學(xué)原理出發(fā)，對(duì)海市蜃樓現(xiàn)象進(jìn)行分析，其原理涉及兩種成像機(jī)理：折射成像和全反射成像.

圖1

如圖1所示，設(shè)水中有一點(diǎn)光源A，經(jīng)水折射后，人眼觀(guān)察到的像在A′點(diǎn).若觀(guān)察點(diǎn)改變，則觀(guān)察到的像點(diǎn)位置也相應(yīng)改變，但總在物點(diǎn)上方，成像為正像還是倒像無(wú)法證明.

圖2

為說(shuō)明問(wèn)題，取箭頭AB為光源，如圖2所示，A點(diǎn)發(fā)出的兩束光經(jīng)折射后成的像點(diǎn)為A′，B點(diǎn)發(fā)出的兩束光經(jīng)折射后成的像為B′，由于人眼觀(guān)察范圍較小，故B點(diǎn)入射角較小時(shí)較易觀(guān)測(cè)到，此時(shí)A′B′在物AB上方，略有傾斜，因此，折射成正立的像.

圖3

在全反射的情況中，同樣假設(shè)水中有一光源A，如圖3所示，取兩條入射角超過(guò)臨界角的光線(xiàn)，在界面處發(fā)生全反射，若觀(guān)察點(diǎn)在水中則看到的A點(diǎn)的像A′位于A點(diǎn)的上方.

圖4

同理，若要判斷全反射成的是正立的像還是倒立的像，再取箭頭AB作為光源，經(jīng)水面全反射后光路如圖4所示.可見(jiàn)，AB經(jīng)全反射成的像A′B′在AB的上方，是倒立等大的虛像，因此全反射成的像是倒立的.

圖5

可見(jiàn)，當(dāng)i、n為定值時(shí)，由于n>n2，所以β>i，從下層空氣進(jìn)入上層空氣的光線(xiàn)入射角不斷增大，當(dāng)增大到大于由某連續(xù)兩層空氣間的臨界角時(shí)，發(fā)生全反射.此時(shí)，當(dāng)觀(guān)察點(diǎn)在B處逆著光線(xiàn)Ba′觀(guān)察時(shí)，可以看到經(jīng)折射成的景物a正立的虛像.實(shí)際光路很復(fù)雜，這里逆著B(niǎo)a′光線(xiàn)是虛指在折射區(qū)域的某個(gè)位置.當(dāng)人眼在A處逆著光線(xiàn)Ab′觀(guān)察時(shí)，可以看到經(jīng)全反射成的倒立的虛像，當(dāng)然，這時(shí)的倒立像不可能是等大的.光在空氣中經(jīng)過(guò)多次折射后發(fā)生全反射，再經(jīng)多次折射進(jìn)入人眼，光路相當(dāng)復(fù)雜.但只要恰到好處，在全反射區(qū)域會(huì)存在一個(gè)合適的位置可觀(guān)察到倒立的景像.

綜上所述，“海市蜃樓”究竟是正像還是倒像，取決于入射到觀(guān)察點(diǎn)的光線(xiàn)是折射光線(xiàn)還是反射光線(xiàn)，當(dāng)折射光線(xiàn)成像時(shí)為正像，當(dāng)全反射成像時(shí)為倒像.

沙漠中蜃景的光學(xué)原理與海市蜃樓一樣相似.夏天沙漠中的下層空氣密度小于上層空氣密度，相應(yīng)的折射率也小于上層空氣折射率，同樣形成一具有梯度折射率的空氣層，其折射率漸變規(guī)律與海面上的空氣層相反.遠(yuǎn)處物體發(fā)出的光線(xiàn)向下經(jīng)過(guò)空氣層后也會(huì)發(fā)生折射和全反射，觀(guān)察點(diǎn)不同時(shí)，物體成像也不同(如圖6).

圖6

當(dāng)觀(guān)測(cè)點(diǎn)在B處逆著光線(xiàn)Ba′觀(guān)察時(shí)，可以觀(guān)察到經(jīng)折射成的正立的虛像，當(dāng)觀(guān)測(cè)點(diǎn)在A處逆著光線(xiàn)Ab′觀(guān)察時(shí)，可以看到經(jīng)全反射成的倒立的虛像.其光路實(shí)質(zhì)和圖5完全一樣，只是上下顛倒.因此，無(wú)論是“海市蜃樓”還是“沙漠蜃景”都有正立和倒立兩種情況.只是通常在觀(guān)察“海市蜃樓”時(shí)，觀(guān)察者位置較高，故觀(guān)察到的景物一般是正像.我國(guó)渤海中有個(gè)廟島群島，在夏季，白晝海水溫度較低，空氣密度呈現(xiàn)顯著的下密上稀分布，在渤海南岸的蓬萊縣(古時(shí)叫登州)，常可看到廟島群島的幻影.宋朝沈括在他的名蓍《夢(mèng)溪筆談》里就有這樣的記載：“登州海中時(shí)有云氣，如宮室臺(tái)觀(guān)，城堞人物，車(chē)馬冠蓋，歷歷可睹.”記錄了他在蓬萊所看到的正像蜃景.而在沙漠中，觀(guān)察者位置通常也較高，這時(shí)觀(guān)察到的景物卻是倒像.由于倒影位于實(shí)物的下面，所以又叫下現(xiàn)蜃景.這種倒影容易給人們以水邊樹(shù)影的幻覺(jué)，以為遠(yuǎn)處是一個(gè)湖.凡是曾在沙漠旅行過(guò)的人，大都有類(lèi)似的經(jīng)歷.

其實(shí)此類(lèi)蜃景不僅出現(xiàn)在海岸邊和沙漠中,有時(shí)也出現(xiàn)在草原,甚至大城市里.影片《登上希夏邦馬峰》的一位攝影師行走在一片廣闊的干枯草原上時(shí)，也曾看見(jiàn)一個(gè)下現(xiàn)蜃景，他朝蜃景的方向跑去，想汲水煮飯.等他跑到那里一看，發(fā)現(xiàn)什么水源也沒(méi)有，才知道是上了蜃景的當(dāng).這是因?yàn)楦煽莸牟莺蜕匙右粯樱涣胰諘竦脽崂藵L滾，使空氣層的密度從下至上逐漸增大，因而產(chǎn)生下現(xiàn)蜃景.

由于實(shí)際的地理、氣候環(huán)境十分復(fù)雜，海市蜃樓的形成條件相當(dāng)苛刻，只能在無(wú)風(fēng)或風(fēng)力微弱的特定天氣條件下出現(xiàn)，若上下層空氣受到攪動(dòng)混合，空氣密度的差異減小，光線(xiàn)沒(méi)有異常折射和全反射，則所成幻景立刻消逝.這也即是為什么海市蜃樓現(xiàn)象難得一見(jiàn)，且維持時(shí)間較短的原因.

參考文獻(xiàn)：

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