从水温的渐层变化看大气层的折射现象

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1、從水溫的漸層變化看大氣層的折射現象一、研究動機：在地球科學課時，當老師介紹到大氣層的結構和溫度變化時，突然岔開了課程，問我們：你們知不知道在黃昏夕陽西下時，雖然還能看到火紅的太陽掛在地平線上，其實太揚真正的位置已經在地平線下了。我們國中生見少識淺，知識淺薄當然不知道。老師說這是因為大氣層對陽光造成折射的關係。老師舉了理化課所教的折射作例子，光線由空氣進入水中時，因為光速變慢（或說水的折射率比空氣大，真空折射率為1，水為4／3），因此光會向下偏折（或說偏向法線）。因為空氣的光速還是比真空光速略小（空氣折射率略大於真空折射率，空氣折射率略大

2、於1，大約是1.000293）。所以光線從外太空進入大氣層時也會發生折射，造成眼睛所見星星或是太陽都不是在視線位置上。我們又問老師：那究竟偏移了幾度？老師說我們理化課不好好上，連這也不懂。折射所偏折的角度與入射的角度有關，入射角度越大，折射所偏折的折射角也越大。所以黃昏時陽光仰角最低，入射角最大，折射偏移最明顯。中午時陽光仰角最高，入射角最小，折射偏移最不明顯。而且空氣在不同高度的密度也不一樣，所以折射的光線不是一次折射的直線，而是弧形的折射曲線。另外像海市蜃樓因為地面到高空處，空氣產生因溫度漸層變化，所造成的密度漸層變化。導致地面景象

3、所發出光線，在空氣中產生全反射現象。對於這些好玩的大氣折射現象，我們問老師能不能在實驗室中模擬出來。老師說不太容易，因為大氣層成分太複雜了，而且大氣層範圍也太大了。那我們退而求其次的問老師，如果只是想看到光線因介質密度連續變化所造成的弧形折射現象做得到嗎？老師說：不試試看怎麼知道行不行。一、研究目的：利用水中光速因水溫升高密度變小，會有變快的現象。製造出一個水溫連續變化，與大氣層折射環境類似的介質，再使光線射入水中，以產生類似大氣層對星光連續折射成弧線的現象。並將光線由不同角度射入，以找到因介質密度些微變化，所造成的全反射現象。觀察不同

4、色光在密度連續變化介質中的折射有何差異。二、研究器材：紅色雷射筆（波長650nm）綠色雷射（波長523nm）玻璃水箱電湯匙鐵架鐵夾照相機800度底片冰塊溫度計食鹽一、研究方法：（一）在長方形玻璃水箱中置入大量冰塊及水，待水溫降到接近攝氏4度時，將冰塊取出。（二）將上述水箱以架高方式放置在另一玻璃水槽上，並在水槽內放置冰塊與食鹽作為冷劑，以保持水箱底部水溫接近零度。（三）沿水箱最長方向置入三支電湯匙，並以鐵架鐵夾固定之。三支電湯匙必須在一直線上，均勻排列在水箱內。第一支電湯匙高度僅讓水面高於加熱環約１公分，第二支電湯匙略低於第一支約１公分

5、，第三支再比第二支低約１公分。（四）在水箱外以鐵架鐵夾裝置紅光雷射筆與綠色雷射，使雷射沿水箱最長方向射入，方向由第一支電湯匙射向第三支電湯匙。射入位置比第一支電湯匙略低，射入角度為水平方向，並調整兩道雷射使其在相同水平高度射入，並且平行射出水箱（圖一）。圖一裝置圖（一）打開兩個雷射光源，在水箱另一側標記雷射所照射到位置。打開電湯匙電源，開始加熱水箱上層水溫，標記水溫變化與雷射照射位置的改變（圖二）。圖二啟動紅、綠雷射光源照射水槽（二）待上層水沸騰時，改變雷射照射位置與角度，調整到可以產生全反射為止。（三）觀察紅色雷射與綠色雷射，在溫度漸

6、層變化的水中折射現象與折射路徑的差異。五、研究結果：（一）當水箱上層水溫逐漸升高時，照射在另一側的雷射光點也開始向下移動，待上層水溫達沸騰時，雷射在另一側的位置達到最低，並可清楚的由水箱側面看到雷射在水中彎曲的路徑，兩種顏色的雷射都有彎曲現象。（圖三）圖三紅、綠兩色雷射光在水中彎曲（二）當雷射光點隨水溫升高，而開始向下移動時，不僅可以看到彎曲的雷射路徑，照射在另一側的光點也開始拉長，變成垂直的條狀。水箱水溫上下差距越大，雷射被拉的越長。紅色雷射比綠色雷射要拉的稍微長一點。（一）當雷射在水中路徑隨水溫升高而開始向下彎曲時，可以發現紅色的雷

7、射稍稍比綠色的雷射高一點點（需延伸至水箱外一定距離牆上，才容易觀察）。（二）當雷射改為向上照射時，可以看到雷射在水中彎曲成拱橋形狀，此時的折射現象為全反射。（圖四、五）圖六紅雷射光在水槽中全反射圖五綠雷射光在水槽中全反射六、討論：大氣層與水箱的差異（一）本實驗是利用水溫的漸層變化，來達到與大氣層折射效果相似的環境，其實與大氣層真實結構仍有相當大的差異。首先是大氣層的溫度變化，並不是高度越高溫度越高。在最接近地表的對流層，溫度變化是隨高度遞減。再上去的平流層是高度越高溫度越高，中氣層又變成越高處溫度越低，至於最外層的增溫層是高度越高溫度越

8、高。另外在大氣層的成分上，每一分層的氣體成分和比例都不一樣，與水箱中只有溫度漸層變化的水差別很大。但是在密度變化和光速變化上是相似的。都是越高處密度越小，光速越快。因此能產生相似的折射效果。折射路徑的探討（