以演示实验为手段探究海市蜃楼现象成因

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1、以演示实验为手段探究海市蜃楼现象成因陈洪云/丁哲【专题名称】中学物理教与学【专题号】G36【复印期号】2010年10期【原文出处】《中学物理》(哈尔滨)2010年9期第19～21页【作者简介】陈洪云、丁哲，天津师范大学物理与电子信息学院（天津　300000）。【关键词】EEUU    引言    夏天在平静无风的海面上，或炎热的沙漠地带，人们有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现。这种现象人们叫它海市蜃楼，也叫蜃景。海面上的蜃景由于像比实物高出许多，这种现象被称为上现蜃景。沙漠地带的蜃景叫做下现蜃景。在我国，海面上的蜃景多

2、出现在蓬莱和青岛一带。    现代研究显示“海市蜃楼”是大气中的光学现象。从目前的资料来看，对“海市蜃楼”现象的解释有如下几种：有些研究者认为海市蜃楼现象是光的折射现象；一般研究者认为该现象是光的折射及全反射现象。最近有人利用线性变折射率模型，定量分析了海市蜃楼现象。导出大气中的光线方程，并研究了蜃像位置与观察者的关系，寻求海市蜃楼成因。其实，对于自然界的海市蜃楼景象，有的正立空中；有的倒挂海面。有时清晰逼真；有时若隐若现。有的存留时间是五六天，有的仅存留几小时。这种自然景观，随时随着大气条件的变化而变化，看上去确实神秘莫测。所以人们

3、对于蜃景的解释，较多的是理论猜测。本文拟从演示实验入手，通过真实的实验现象，探索自然界海市蜃楼现象的产生原因，揭示现象的规律。    一、海市蜃楼演示实验概述    自然界中海市蜃楼现象并不多见，对该现象的研究存在一定的困难。但在实验室里可以实现蜃景的模拟演示。具体做法是在一个前、后透光的金属外壳中，放置一个透明的玻璃池，玻璃池中可以装入透光介质。在水槽的后面载物台上放置一个景物。景物的斜上方安装有一个光源。光源发出的光正好照射在景物上。光线被景物反射后通过水池中的介质，光线通过介质时与介质相互作用，观察者在玻璃池前端观察窗中能看到景

4、物所成的像。    1.液体介质的配制    将装置门打开，向水池内注入半池的清水，再将3kg的食盐放入清水中，用玻璃棒搅拌，使其溶解成近饱和状态，再在其液面上放一张薄塑料膜盖住下面的食盐溶液，再在薄膜上慢慢注入半池清水，水面稳定后，将薄膜轻轻从一侧抽出。此时，清水和食盐水界面分明。由于扩散作用，在交界处形成了一个扩散层，扩散层中清水和食盐粒子互相扩散。液体的密度由下向上逐渐减小，产生一个密度逐层变化的光介质。    景物采用三个由高、低不同的A、B两个物体（图1），放置在物台距水箱底面15cm的载物台上箱中放入高21cm的饱和食盐水

5、，放入塑料薄膜后，加入清水，水深共37cm。待水稳定后抽出薄膜，静置30约分钟后便可以从观察窗中观察成像情况。        图1    2.成像数据记录    当自下而上分别从观察窗中不同高度观察景物所成的像，可以分为表1所示的如下几种情况。    表1　　　　　　　成正立的像。当观察者所在观察位置自15cm以下　　下而上移动时，发现所成像由小变大，且　　　　　　　像的底部高度基本不变。15cm～21cm　　成正立放大的像。在15cm处像上部开　　　　　　　始变亮，当观察位置自下而上移动时，正　　　　　　　立的像不再变大，在食盐水与

6、清水界面　　　　　　　层以下成倒立的像，在界面以上看到缩　　　　　　　小正立的像。继续向上改变观察位置，　　　　　　　可看到倒立的像开始向下伸长。21cm　　　　　倒立的像消失，只看到正立缩小的像。21cm～37cm　　随观察位置自下而上移动时，正立的像　　　　　　　逐渐变大    表2是在观察窗中的30cm处、20cm、12cm的高度观察到的实景物所成像的描述和照片。        由于在第二观察点看到的三个像交叉重叠，成像观察起来难以分辨正立还是倒立，为了便于识别，将景物改为高度较小的条形磁体。图5是在20cm处看到的磁铁成像情况

7、。从磁体N、S极可以判断磁铁成像是正立、倒立。从中可以看到，自下而上是正立、倒立、正立的三个像。    3.实验规律总结及其现象分析    (1)成像规律总结    在整个观察过程中，既有正立、又有倒立的像呈现。从表1可以看出，所处不同观察位置会看到不同的成像结果。但具有一定的规律性。整体的规律可以归纳、总结如下：    ①在高于21cm处的观察位置以上，可以看到成正立缩小的像。观察位置自21cm处开始自下而上移动时，正立的像是逐渐变大，但在有限的观察高度内没有达到景物的实际高度。在30cm处成像如图2所示。    ②观察位置在15c

8、m～21cm之间，也就是靠近初始盐水和清水交界面附近，可以看到从上至下正立、倒立、正立的三个像，且随观察位置不同看到像的大小不同。在靠15cm处看到成像缩小，向上移动视线时成像变大。在20cm处的成像如图5所示。