蜃景中的光学(论文)

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1、蜃景中的光学[内容摘要]蜃景是一种奇特的自然现象，它包括很多种情况。本文主要从“海市蜃楼”和“沙漠幻景”两种典型情况，利用光学知识，从折射和全反射的角度进行分析并加以区别。[关键词]海市蜃楼，沙漠幻景，折射，全反射，蜃景。长期以来，蜃景这种奇幻的自然现象在没有被人们充分认识之前，一直人们神秘化，在中国古代传说和书籍中便有相应的记载，如《史记•天官书》说：“海旁蜃气像楼台，广野气成宫阙然。”记录了海滨和陆地的海市蜃楼现象。秦始皇、汉武帝当年还曾率人前往蓬莱寻访仙境。宋代沈括也在其文章中提及过海市蜃楼发生的景象。但随着科学技术的不断发展，这种自然现象的形成原因

2、逐步清晰。蜃景其实并不如此的神秘，它是特定物理条件下的一种光学现象。蜃景多发生于海上和沙漠中，分别称为“海市蜃楼”和“沙漠幻景”，但柏油马路和山中也偶尔能够看见。蜃景是物质通过光的折射和反射作用，把彼地的影子放映到另一地的一种自然现象。现在重点介绍海市蜃楼和沙漠幻景的成因。如右图所示:光线从一种介质中入射到另一种介质，设折射率分别为n和n，设n>n,有由折射定率知：=<1折射角b总大于入射角a,光线发生折射，而当入射角b到达一定的值c时，则发生全反射。一、海市蜃楼现象解释由于温度不同，相应的空气密度不同，因而具有不同的折射率，夏天，由于海水的热熔比较大，在

3、强烈的阳光下温度升高并不大，因而海面上方的空气呈现下冷上暖的现象，使得空气的密度随高度的增加而减少，对光的折射率也随之相应减少，从而一具有折射率梯度的空气层。当有光线通过此空气层时，则发生如图所示偏转：光线从A处以一定的角度入射，由于n>n1>n2>n3>n4,光线不断从光密介质进入光疏介质，入射角不断增大，到达B处所在界面时，入射角变成临界角，光线发生全反射，光线又返回水平面。当观察者从C处观察时，则会发生下图（a）所示现象，即“海市蜃楼”。（a）（b）二，沙漠幻景现象解释在夏天，沙漠里的下层空气密度小于上层空气密度，相应的折射率也小于上层空气折射率，与

4、海市蜃楼相似，也形成一个梯度折射率的空气层，但其折射率的渐变规律正好与海面的情况相反。如上图（b），远方物体发出的光向下经过该空气层发生折射和全反射，便出现蜃景。“海市蜃楼”和“沙漠幻景”的出现都是由于空气层密度随高度的不同导致折射率随高度梯度变化引起的，区别在于两种情况下空气层密度随高度变化的结果相反。无论是“海市蜃楼”还是“沙漠幻景”，具体出现的蜃景是倒立还是正立与观察者所在的位置有关。对于“海市蜃楼”现象，人在较高处，逆着弯曲的折射光线看去，可看见经过折射形成的悬在空中的正立的虚像；人在较低处时，逆着弯曲的反射光线看去，可看见经过全反射形成的悬在空中

5、的倒立的虚像。对于“沙漠幻景”，观察者的位置通常较高，这时看到倒立的虚像，由于倒影位于实物的下面，所以又叫下现蜃景。以上是对两种蜃景的理论解释，但对于实际的成像情况，要满足完全的成像条件，对当时的空气折射率和观察者位置的要求都相当高的，而这种特有的折射率梯度的空气层形成又是在特定的天气形势和气象条件下形成的，且蜃景的出现只能在无风或风力极微弱的天气里，稍有大风引起上下层空气的搅动混合，蜃景就有可能全部消失。由此可见，蜃景的形成条件相当苛刻，故实为大自然神奇的一笔。参考文献：[1]韩叙虹.浅析自然现象中的光学原理[J].教学月刊：中学版（教学参考）.2006

6、,1:55-56.[2]王忠纯.用线性变折射率模型解释海市蜃楼[J].大学物理.2001,20(9):24-27.[3]章小萍.“海市蜃楼”现象的光学分析[J].新课程.教师.2009,11:33-33.