房若宇

(浙江大學(xué)，浙江 杭州　310027)

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海市蜃樓現(xiàn)象的模擬與研究

房若宇

(浙江大學(xué)，浙江 杭州310027)

利用食鹽和蔗糖溶液，分別構(gòu)建了兩種不同的體系來(lái)模擬海市蜃樓現(xiàn)象，均實(shí)現(xiàn)了良好的上現(xiàn)蜃景。同時(shí)對(duì)兩種體系在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和成像效果做了比較，從物理實(shí)驗(yàn)的角度形象地加深了對(duì)海市蜃樓這一神秘自然景觀的認(rèn)識(shí)和理解。

食鹽；蔗糖；海市蜃樓；上現(xiàn)蜃景

“海旁蜄氣象樓臺(tái)；廣野氣成宮闕然。”在古代，古人常常將海市蜃樓這種自然的光學(xué)現(xiàn)象比作神靈仙境，或者是冥府異域，對(duì)之或是尊敬伏拜，或是奔走恐懼。而事實(shí)上，海市蜃樓只不過(guò)是大自然的光線給人類開的一個(gè)大玩笑。海市蜃樓多發(fā)生于大海與沙漠中，根據(jù)地形氣候等多種因素可以分為上現(xiàn)蜃景、下現(xiàn)蜃景、雙層蜃景和復(fù)雜蜃景。本實(shí)驗(yàn)利用濃度連續(xù)變化的溶液來(lái)模擬大氣中密度連續(xù)變化的空氣，在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了上現(xiàn)蜃景景觀。上現(xiàn)蜃景，指的是當(dāng)近地面的溫度直減率比其正常值低時(shí)，尤其是在雪原和寒冷海洋等處上空的逆溫條件下，在大氣中形成的位于實(shí)物位置之上的物像[1-5]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是光線在不同密度的空氣層中發(fā)生了折射與全反射，導(dǎo)致所形成的虛像位于實(shí)物的上方。中國(guó)的沿海地區(qū)最常見(jiàn)的便是上現(xiàn)蜃景。

1　海市蜃樓的成因分析

在現(xiàn)實(shí)的海市蜃樓現(xiàn)象中，大氣層作為一種不均勻介質(zhì)，在物體的光進(jìn)入大氣層時(shí)，在達(dá)到一定的折射率時(shí)，發(fā)生全反射現(xiàn)象[6-8]。而由物點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)大氣層的折射，其反射線反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)形成虛像點(diǎn)，其集合便是虛像，也就是我們眼中看到的海市蜃樓。

圖1　光路原理圖

如圖1所示，設(shè)一束從遠(yuǎn)處景物a發(fā)出的光線以入射角i由折射率為n處射入空氣層，由折射定律得：

nsini=n1sini1

(1)

n1sini1=n2sinr

(2)

聯(lián)立(1)(2)式可得：

可見(jiàn)，當(dāng)i、n為定值時(shí)，由于n>n2，所以r>i，從下層空氣進(jìn)入上層空氣的入射角不斷增大，當(dāng)增大到由某兩層空氣的折射率決定的臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射。當(dāng)人眼在A處逆著光線觀察，可以看到經(jīng)全反射形成的倒立的虛像。當(dāng)人眼在B處逆著光線觀察，可以看到經(jīng)折射形成的正立的虛像。

2　實(shí)　　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)器材

長(zhǎng)方形透明玻璃缸(280mm*86mm*179mm)、燒杯、食鹽、蔗糖、水、攪拌棒、保鮮膜、激光筆等。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2實(shí)驗(yàn)溶液的配制

2.2.1配制飽和食鹽(蔗糖)溶液

在燒杯中加入溫水與食鹽(蔗糖)，待食鹽(蔗糖)不再溶解后，冷卻至室溫。

2.2.2配制具有折射率梯度的擴(kuò)散層

過(guò)濾飽和食鹽(蔗糖)溶液，將溶液倒入玻璃缸中約一半處。將被清水浸濕的保鮮膜平鋪在食鹽(蔗糖)溶液表面。向玻璃缸中注入清水至玻璃缸口。將保鮮膜輕輕抽出，不要引起水的晃動(dòng)，此時(shí)可以看到玻璃缸中出現(xiàn)了明顯的分層。之后再繼續(xù)靜置2h、4h和6h后，再觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

另外為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，得到更厚更穩(wěn)定的擴(kuò)散層，自制了一種能加快初始擴(kuò)散的裝置，如圖3所示。該裝置底部有42*13個(gè)孔，各間距6mm。如圖4所示。

圖3 　加速擴(kuò)散裝置

圖4　加速擴(kuò)散裝置的底部圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在溶液靜置2h、4h和6h后分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能看到玻璃缸中出現(xiàn)了明顯的分層，由上至下依次是水層、擴(kuò)散層以及飽和食鹽(蔗糖)溶液層。用激光筆照射水面，能觀察到光路及海市蜃樓現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)食鹽和蔗糖兩種溶液體系的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1　食鹽和蔗糖兩種溶液體系成像效果的對(duì)比

4　結(jié)　　論

用食鹽和蔗糖溶液，構(gòu)建了兩種體系模擬出了海市蜃樓景觀，同時(shí)通過(guò)對(duì)兩種體系的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比，得到了食鹽在溶解、擴(kuò)散、成像方面用時(shí)比蔗糖短，但擴(kuò)散層較模糊，且成像消失較快，總體效果不如蔗糖的結(jié)論。另外該實(shí)驗(yàn)使用了自制的能加速擴(kuò)散的浮槽，使液體分層更均勻，且全部注液完成后便可以觀察成像效果，有效地縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

[1]王長(zhǎng)波、王章野，等.海市蜃樓現(xiàn)象的真實(shí)感繪制[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006,29(12)2080-2085

[2]聶劍軍，黃曉標(biāo).“海市蜃樓”實(shí)驗(yàn)研究[J].物理教學(xué)探究，2013,31(460)：8-9.

[3]陳培杰，歐陽(yáng)為民.模擬海市蜃樓實(shí)驗(yàn)的配液新方案[J].大學(xué)物理，2007,26(4)：51-53.

[4]胡安正.海市蜃樓演示實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新改造[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007,24(7)：61-63.

[5]朱建華.如何在課堂上重現(xiàn)蜃景[J].太原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,29(1)：98-101.

[6]周燕.海市蜃樓的光學(xué)原理[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014，,43(12)：44-45.

[7]朱大強(qiáng).海市蜃樓及相關(guān)現(xiàn)象的模擬[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2006，增刊：145-146.

[8]尹學(xué)愛(ài).海市蜃樓演示裝置的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014,34(5)：24-25.

Simulation and Study of Mirage Phenomenon

FANG Ruo-yu

(Zhejiang University,Zhejiang Hangzhou 310027)

Twodifferentsystemswerefabricatedtosimulatethenaturalmiragephenomenonemployingaqueoussolutionsofcommonsaltandcanesugar,respectively；andidealsuperiormiragewasachievedinbothcases.Detailedcomparisonwasmaderegardingtheexperimentalphenomenaandimagingeffectsin-betweenthetwosystems,whichdeepensthecognitionandunderstandingofthemysteriousnaturalmiragephenomenoninthepointofviewofphysicalexperiment.

commonsalt；canesugar；miragephenomenon；superiormirage

2016-02-29

1007-2934(2016)04-0046-03

O435.1

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.015