解釋“蜃景”模型的實驗探究

方錦飛 丁 兵

（江蘇省邗江中學 江蘇 揚州 225012）

筆者所能見到的物理新版高中課程標準實驗教科書，人教版、滬科版教材都沒有涉及到“蜃景”問題的解釋.但是魯科版的高中物理選修教材2－3，3－4［1］，蘇科版的高中物理選修教材3－4［2］，粵教版的高中物理選修教材2－3［3］里都有“蜃景”的解釋，其解釋都涉及到全反射.筆者認為用全反射解釋蜃景是人為想象、是完全錯誤的.高中物理人教新版已經(jīng)做了修訂，作為其他版本教材也不應(yīng)該出現(xiàn)這樣的錯誤，應(yīng)加以糾正.

關(guān)于解釋“蜃景”的模型選擇，筆者在《光在非均勻介質(zhì)中的傳播》［4］中已有詳細的闡述，摘要如下.

光在非均勻介質(zhì)中傳播時光路是平面曲線，即光在傳播過程中方向不會發(fā)生突變，也就沒有全反射.實際大氣情況是非常復(fù)雜的，但在特定條件下，在某一局部范圍內(nèi)大氣的密度是不均勻的，但變化是有規(guī)律的，根據(jù)不同“蜃景”分為兩種情況討論.

圖1

（1）如果大氣密度變小，且密度的變化可以認為是均勻的，這樣的氣層對光線的作用就相當于一個“棱鏡”，如圖1所示.光的方向雖發(fā)生了變化，但平行光仍然平行，海面上正立 “蜃景”的形成與圖1棱鏡成像類似，像的位置比物的位置高.

（2）如果大氣密度變小，且密度的變化不均勻，變化率逐漸變大，這樣的氣層對光的作用就相當于一個“凸透鏡”，如圖2所示（不是中間厚邊緣薄的圓凸透鏡），光的方向也發(fā)生了變化，豎直方向的平行光不平行，相交了.沙漠中倒立“蜃景”的形成與圖2凸透鏡成像類似，像上下位置顛倒，但左右位置不顛倒，似乎和平面鏡成像類似，但不同于平面鏡成像 ——“像”、“物”軸對稱的特點.

圖2

筆者以前對沙漠中的蜃景考慮得也不全面，后面祥述.

先把筆者在文獻［4］中做的模擬實驗，探究得到的意外結(jié)果，整理如下.

用鐵架臺搭成65cm×30cm×14cm的架子，上面放用鐵皮做成的60cm×28cm×2cm的容器，里面放滿建黃沙，在容器下面放14只酒精燈，沙面上方依次放10支溫度計，溫度計離沙面的距離及測得的幾組溫度數(shù)據(jù)如表1.

沙里用金屬溫度計，沙面上方一般用液泡溫度計，液泡的差別是比較大的，距離指的是液泡到沙面的距離，根據(jù)數(shù)據(jù)去除偶然因素（溫度計不能及時測出所在位置的溫度等）可以得到結(jié)論即加熱以后沙面上方的溫度逐漸變低，沙子的溫度越高，沙面上方同一時刻相同距離的溫差越大且不相等.

加熱前讓一束用“HJ－1型”氦氖激光器產(chǎn)生的穩(wěn)定激光，從沙面上方8mm左右的地方平行通過，空氣中看到的激光路徑只有1mm左右，在距離實驗裝置2.8m的屏上可以得到一個中間直徑9mm左右的圓形明亮光斑.

加熱之初，發(fā)現(xiàn)屏上的光斑逐漸上移，形狀并沒有明顯的變化，即激光通過沙面上方的空氣后光線發(fā)生了偏折，沙面上方空氣與倒放棱鏡的光學效果是一樣的.

表1 溫度計離沙面距離及測得的溫度

還有一個筆者事先沒有想到會出現(xiàn)的重要的現(xiàn)象：隨著溫度的升高，圓形光斑在上移的過程中，逐漸變成豎直方向越來越扁的水平方向不變的橢圓，然后變成一條亮線，再變成橢圓，最后又變成圓形（圖3）.此時的圓形光斑與之前的圓形光斑不同，上面的光與下面的光位置顛倒了.因為用遮光物擋住激光源的上方，而在光斑上發(fā)現(xiàn)遮住的是下方，而遮住激光源左方就遮住光斑上的左方.

圖3

當初筆者也沒有意識到這個現(xiàn)象的實質(zhì)，因為在另外的方案中可以直接觀察到倒立的像，最后在整理的過程中恍然大悟：加熱過程中，整個光斑的上移及同時的變形，正是沙面上方的空氣由頂角小的“棱鏡”變成頂角大的“棱鏡”，后變成焦距大的“透鏡”，再變成焦距小的“透鏡”的過程.此實驗明確驗證了：在特定的條件下，密度不均勻的空氣，可以產(chǎn)生“棱鏡”、“透鏡”的光學效果.由此可見“棱鏡”、“凸透鏡”模型是正確的.

最后筆者要說明的是“馬路蜃景”同“海市蜃樓”的產(chǎn)生原因是不一樣的.魯科版選修3－4認為“馬路蜃景”也同沙漠里蜃景的原理一樣.而筆者認為沙漠里有的情況下出現(xiàn)的蜃景和馬路蜃景的原理一樣，比如說沙漠里的“湖泊”蜃景.

只要留心觀察，不管是炎熱的夏天還是寒冷的冬天，在馬路上適當?shù)牡攸c，都可以看到所謂的“馬路蜃景”；馬路蜃景不同于我們說的“海市蜃樓”.“馬路蜃景”的產(chǎn)生，是光線在兩種物質(zhì)（一種透明、一種不透明）的界面處，不透明介質(zhì)對光線的反射與吸收是與光線的入射角有關(guān)的，入射角越大吸收的光線越少反射的光線越多.如果反射面較平整的話，在適當?shù)慕嵌瓤吹降姆瓷涿婢拖耒R面一樣，也就會看到所謂的“馬路蜃景”，其實就像鏡面成像.其道理與上課時，有的位置比較偏的學生看到黑板“反光或冒亮”是一樣的.

但夏天馬路溫度比較高時看到的“馬路蜃景”，是馬路上有的地方像水淋過還有波光粼粼的感覺，而冬天很難看到.此原因是夏天路面溫度與空氣溫度差較大，路面附近空氣有不同的溫度梯度，空氣密度不均勻且也不穩(wěn)定，光線傳播時光路也不穩(wěn)定；所以說沙漠里有時出現(xiàn)的“湖泊蜃景”與此類似.“馬路蜃景”筆者經(jīng)常見到.由于筆者沒有見過“沙漠蜃景”，就所見到“沙漠蜃景”的描述而言，沙漠里出現(xiàn)的另外的一些蜃景，才是真正的“海市蜃樓”，亦可能是“馬路蜃景”與“海市蜃樓”同時出現(xiàn).

1 中學物理教材編寫組.物理（選修2－3和3－4）.濟南：山東科學技術(shù)出版社，2006

2 物理教材編寫組.物理（選修3－4）.南京：科學技術(shù)出版社，2010

3 物理教材編寫組.物理（選修2－3）.廣州：廣東教育出版社，2007

4 方錦飛.光在非均勻介質(zhì)中的傳播.物理教學探討，2005（6）