幾種人造蜃景的實驗嘗試

王天健

【摘 要】海市蜃樓常在海上、沙漠中產生，海市蜃樓是光線在延直線方向密度不同的氣層中，經過折射造成的結果。海市蜃樓的種類很多：根據它出現的位置相對于原物的方位，可以分為上蜃、下蜃。真正的海市蜃樓只出現在海邊和沙漠地帶，就是在海邊和沙漠地帶也不是經常能夠看到海市蜃樓的。筆者對于海市蜃樓特別的好奇，想試試人造蜃景。根據海市蜃樓形成的條件，通過反復的實驗使蜃景可以在室內出現。

【關鍵詞】人造蜃景 實驗 嘗試

我們知道在海邊看到的海市蜃樓都是上蜃景，這是因為海面的氣溫比上空低，下層的空氣的密度比上層大，空氣的折射率由下而上逐漸減小，這種下密上疏的空氣造成的蜃景叫做“上蜃景”，看到的現象是遠方的景物正立地懸在空中。而在沙漠上，貼近地面的溫度較高，密度比較小，上空的空氣溫度逐漸低些，密度逐漸增大，則空氣的折射率也由下而上逐漸增大。這種由下疏上密的空氣對光的折射造成的蜃景叫做“下蜃景”，看到的是遠方景物倒立的像，好象是水面反射出來一樣。下蜃景還有一種出現的情況，就是景物反射的光線經過水蒸氣時發生全反射，而形成海市蜃樓現象。

從蜃景的形成我們知道，要使蜃景出現，關鍵是要制造出密度（或折射率）逐漸變化的光的介質，或使光線經過一種介質后發生全反射。

1 用液體代替空氣進行實驗。

器材：玻璃水槽一個（30cm×20cm×20cm），適量的清水和食鹽，墊塊（用書或者木塊），觀察物體（鮮艷的小花或者小玩具），與玻璃水槽橫截面大小相同的薄膜或者海綿。

1.1 “上蜃景”的實驗

在玻璃水槽下墊上墊塊，使沒有放玻璃水槽時人的眼睛看不到景物。先在玻璃水槽中盛上五分之二的過飽和鹽水，在鹽水上面蓋上薄膜紙，薄膜紙上再倒五分之二的清水，然后從玻璃缸的一頭輕輕地將薄膜紙拉出來，但動作一定要輕慢，不能攪動下面的鹽水。讓其靜止幾分鐘后，鹽水向上面擴散，水的濃度就會形成由下向上逐漸減小的不均勻分布。

還可以這樣做，如果能夠找到一塊與玻璃水槽大小相同的海綿，在裝好鹽水之后，把海綿放在鹽水上面，把清水逐漸倒在海綿上面，把海綿慢慢向上提起，也是動作要輕慢，不能攪動下面的鹽水。

將一個物體（一朵小花）放到玻璃缸的右邊，人到玻璃缸的左邊進行觀察，如圖1所示。放上玻璃缸后調整觀察的位置和角度，只要位置和視角恰當就可以看到不在視角范圍內物體的像，像是正立的，這就是海市蜃樓的“上蜃景”現象。如果將物體向右移，距離玻璃缸越遠，會看到物體的像也就越遠越高。若不晃動玻璃缸，這種現象可以持續在半小時內看到。

“上蜃景”形成的原理是，由于濃鹽水向上擴散，下面的鹽水密度較大，上面的鹽水的密度較小，形成由下向上密度逐漸減小的梯度層，于是，小花反射的光線在傳播時從光密介質進入光疏介質，會向上折射。人眼總是以為光線沿直線傳播，于是形成上蜃景的虛像。

1.2 “下蜃景”的實驗

用與前面相同的長方形玻璃缸，先在其中盛五分之二的清水，在清水上面蓋上薄膜紙，薄膜紙上再倒五分之二的過飽和鹽水，然后從玻璃缸的一頭輕輕地將薄膜紙拉出來。這里只是鹽水向下擴散較快，稍一靜止就要進行觀察，觀察方法也與前面相同，如圖2所示。只是這時觀察到的是一個倒立的像，這就是海市蜃樓的“下蜃景”現象，其像的持續時間一般在十分鐘左右。

“下蜃景”形成上蜃景的原理是，由于濃鹽水向下擴散，上面的鹽水密度較大，下面的鹽水的密度較小，形成由上向下密度逐漸減小的梯度層，于是，小花反射的光線在傳播時從光疏介質進入光密介質，會向下折射。人眼總是以為光線沿直線傳播，于是形成下蜃景的虛像。

同樣在裝好清水之后，把海綿放在清水上面，把鹽水逐漸倒在海綿上面，把海綿慢慢向上提起，也是動作要輕慢，不能攪動下面的清水。觀察下蜃景還有一種更簡單的方法，就是在玻璃缸內裝上清水，只要水靜止了，和前面的觀察方法相同，如圖3所示，就可以觀察到倒立的像。這種方法非常簡單，觀察到的效果也很好，并且可以不限時間地觀察。這種現象是光在水中發生全反射產生的。

如果想要實驗效果更好，有下面幾種改進的方法：①折射液體可以用酒精和汽油代替水和鹽水，特別是觀察“下蜃景時，下面用酒精，上面用汽油，只是價格較高也不很安全；②用強光照射景物，使其反射的光線增強，或將一個半透明的畫面裝在燈籠上，里面點上一個較大的燈泡，把其它地方遮住，只突出畫面對著玻璃缸；③將房間的窗子用窗簾遮住把電燈拉熄或到暗室中進行實驗。

這個實驗的特點是，器材容易找，安裝也很簡單，容易觀察，效果也很好。

2 人造熱空氣

器材：一個平底鐵鍋或者金屬盆，細砂若干，加熱火爐，用硬紙做一兩個房屋和樹木。

把房間的門窗關上，使室內的空氣穩定下來。在鐵鍋或者金屬盆的底面鋪上一層細沙，當作人造沙漠，再在靠近鐵鍋或者金屬盆的細沙上，放一些硬紙做的房屋和樹木。把鐵鍋或者金屬盆放在火爐子上慢慢加熱，待鐵鍋或者金屬盆里的細沙發燙時，可沿著盆沿仔細觀察。

會看到在對面的盆沿上，有倒懸著的房屋和樹木的幻影。

這個實驗效果不是很好，影像難以觀察到，也不是很穩定。不像在沙漠里，沙漠的面積很大遍地都是沙，在烈日的照射下，大面積的沙變熱并散發著熱量，于是陽近地面的空氣變得越來越熱，也越來越稀薄，但是離地面稍高的空氣仍然比較冷，比較稠密。這時從極遠地方的寺院和樹木反射的光線，在經過冷熱空氣層時，會發生折射，以致進入人們的眼簾的寺院和樹木都是倒置的，好象是映在湖水里的倒影。同時，貼近地面的熱空氣在不停地浮動，就好象是波光粼粼的湖水。

參考文獻：

[1]黃富忠.“海市蜃樓”與“空中樓閣”.百閣之光語文工作室，2012-2-3.

[2]張逐生，張學克.海市蜃樓的人工再現.物理教學探討，2004年4期.