海市蜃楼

关键词：海市蜃楼；溶液法；溶解扩散法;改进
引言
自古以来，蜃景就为世人所关注。在西方神话中，蜃景被描绘成魔鬼的化身，是死亡和不幸的凶兆。我国古代则把蜃景看成是仙境，秦始皇、汉武帝曾率人前往蓬莱寻访仙境，还屡次派人去蓬莱寻求灵丹妙药，但最终却一无所获。近年在广州曾经出现过“空中皇冠”奇景，去年四月在珠江九洲港的海面上也层出现过“海市蜃楼”。海市蜃楼简称蜃景，根据物理学原理，海市蜃楼是由于不同的空气层在一定条件下有着不同的密度，而光在不同的密度的空气层中又有着不同的折射率，通过全反射和折射形成的。沿海地区的蜃景就是因海面上冷空气与高空中暖空气之间的密度不同，对光线折射而产生的[1]。海市蜃楼现象的出现需要特殊的环境，因此这种现象多数出现在沙漠和沿海地区。由于在生活中很多学生对海市蜃楼现象感到很好奇，很多都没见过蜃景，对这概念很难以理解。如果能把海市蜃楼搬到实验室中，并且让该实验容易进行，这将极大提高学生对学习物理的兴趣，也有利于普及科学知识。此外军事学家们也有想到利用海市蜃楼这种光学幻象在战事中，利用这一假象迷惑敌人，隐蔽自己。海市蜃楼现象在实验室再现有两种常见的方法：溶液法和空气法。文章主要研究用溶液法(利用人工配制的折射率连续变化的溶液作介质，使光线经过一种介质后发生弯曲)进行，主要对配液方案的改进，从实验过程中总结出规律，从而使实验现象更明显并提高实验成功率。
纱网框很好的解决了水冲刷槽底下盐巴而导致的问题，由于布跟纱网有一定的吸水性，当清水经过纱网框时会先经过纱网与布，这样就增大了注水的液面，水就可以在这个面上均匀注入水槽，从而使得水就可以慢慢注入水槽且不会使水槽底下的食盐被冲散，溶液才不会变浑浊。这有利于后面食盐均衡的溶解在同一层面上，直至其溶液自然扩散从而形成密度不同的溶液层。注入清水时要控制水的流速、流量，不能超过纱网所能承受的缓冲能力，如果流速、流量过大，纱网就起不到作用，清水冲刷到盐层，溶液就会变得浑浊。但是待到水槽中的水到一定高度时可以适当地加大水的流速，最后轻轻地取出纱网框，并把装置门关上。
图1光路图
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在海市蜃楼成像中除了上现蜃景还有与之相对的下现蜃景，它们的成像方式也有所不同,由于倒影位于实物的下面，所以又叫下现蜃景[6]。这种倒影很容易给予人们以水边树影的幻觉，以为远处一定是一个湖。凡是曾在沙漠旅行过的人，大都有过类似的经历。拍摄影片《登上希夏邦马峰》的一位摄影师，行走在一片广阔的干枯草原上时，也曾看见这样一个下现蜃景，他朝着蜃景的方向跑去，想汲水煮饭。等他跑到那里一看，什么水源也没有，才发现是上了蜃景的当。这是因为干枯的草和沙子一样，可以被烈日晒得热浪滚滚，使空气层的密度从下至上逐渐增大，因而产生下现蜃景[7]。柏油马路因路面颜色深，夏天在灼热阳光下吸收能力强，同样会在路面上空形成上层的空气冷、密度大，而下层空气热、密度小的分布特征，所以也会形成下蜃。
3.2
实验利用虹吸法把清水注入水槽。根据虹吸原理我们只要把要注入的温的清水放置高于水槽的位置就可以很好的把水注入水槽。
为了减缓清水对盐层的冲击，专门为这实验设计了一个缓冲装置纱网框，纱网框大小比槽口略小，刚好可以放入槽中。纱网框的制作很简单，外面两层为纱布，中间放置一层布，然后把它固定这木质长方形框架上，再在框架四周绑上和木条差不多大小的泡沫条，这样可以使得纱网框的浮力增大，使得在向水槽内注水时，纱网框会随着槽内水位上升而上升，这样有利于纱网框的取出。
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要做好模拟海市蜃楼在实验室演示的实验，配制密度和折射率梯度分布合适的溶液是很关键的。目前采用得最多的配液方法是自然扩散法，即将两种液体分层放置让其由于分子的热运动而自由扩散。自然扩散是由于分子、原子等的热运动而产生的物质迁移的运动[9]。一般可发生在一种或几种物质于同一物态或不同物态之间，由不同区域之间的浓度差或温度差所引起，前者居多。一般情况下自然扩散都是分子或原子从浓度较高的区域向较低的区域进行扩散，直到同一物态内各部分各种物质的浓度达到均匀或两种物态间各种物质的浓度达到平衡为止[9]。既然要利用自然扩散使其形成密度不同的溶液层，在溶液的形成过程中我们要时刻观察溶液层的变化，一旦溶液的浓度达到均匀时，实验就失败了，因此控制盐溶化速度和注入清水的速度也是十分重要的。
图3海市蜃楼演示装置
这种海市蜃楼现象的再现在实验室的传统具体做法是这样的：首先要配制好一定浓度的盐溶液，把盐溶液注入水槽至水槽一半高的位置，然后在中间铺一层薄膜，再注入清水，清水在薄膜层往下慢慢的自然扩散，盐溶液往上自然扩散，这样慢慢地就形成浓度不一样的溶液层，在清水差不多注满水槽时，轻轻地取出薄膜。取出薄膜这步非常的关键，不能动静太大，这样会使溶液发生动荡，以致破环溶液层的形成。由于薄膜很薄，在注入清水的过程和取出时很容易致使其破裂，这样不利于溶液的分层的形成，这就是传统溶液法中令人头疼的地方，所以人们不断的在薄膜这块动脑筋，希望能找到薄膜的替代品。该实验就是就这个点进行探究，并从中得以突破。
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海市蜃楼现象大多数发生在沙漠，沿河口岸和海面这些特定的环境中。根据海市蜃楼所成像方式的不同以及蜃景的特征的不同，可以将其分为：上现蜃景、下现蜃景和复杂蜃景。
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空气本身就是一种不均匀的介质，在一般情况下，它的密度是随高度、压强的增大而递减的，高度越高，密度越小；压强越大，密度越小。当光线穿过不同高度的空气层时，总会引起一些折射，由于这种折射现象在人们日常生活中并不会出现什么特别的现象，所以人们对此并不觉得有什么异样。可是当空气温度在垂直变化的反常情况下，并会导致与通常不同程度的折射和全反射，这时候就会产生海市蜃楼的现象[4]。由于空气密度反常的具体情况不同，蜃景也有所不同，海市蜃楼出现也不同。在自然条件下，例如干旱的沙漠，当地面无风而被日光强烈照射时，会使得地面附近数层空气受到强烈加热膨胀使得空气变稀，密度变小。然后和上面高密度的空气互相融合交汇，形成很多连续的不同密度空气层，每一层上面的密度比下面的密度大[5]。远处的物体发出的光线在其中传播的过程中向下弯曲，并发生了全反射，从而会看到物体所成的虚像的现象就叫做上现蜃景。其光路图如下图1。
海市蜃楼现象的再现研究
蒙明品
三明学院10级物理学专业 福建 三明 365004
摘要：海市蜃楼现象是一种光学现象，其形成主要由于光的折射和全反射。实验室海市蜃楼再现的常见方法有两种：空气法和溶液法。文章主要介绍溶液法和空气法的差异，以及就传统溶液法在实验室中的不足加以改进，从而提高试验成功率和减少实验时间。
实验采用溶液法进行，虽然溶液法前期准备比较耗费时间，但是其现象稳定，实验操作也容易控制，成像不易受观察者动作的影响，现象持续时间比较长，能够实现同时让多位观察者观察。基于这是一个演示性实验，需要在人数相对比较多的情况下展示海市蜃楼的现象以及解说其实验原理，因而要求实验现象要相对稳定，能够在课程时间内完成实验现象展示，故溶液法比较适合用来在实验室里做该海市蜃楼现象的演示实验。以下为溶液法的实验装置（图3所示）及其使用说明书：①液体的配制。将装置门E打开，水管插入F口内固定好，向水槽内注入深为槽深一半的清水，再将约3Kg食盐放入清水中，用玻璃棒搅，使其溶解成近饱和状态，再在其液面上放一薄塑料膜盖住下面的盐溶液，向膜上慢慢注入清水，直到水槽水近满为止，稍后，将薄膜轻轻从槽一侧抽出。此时，清水和食盐水界面分明，大约需6个小时后，由于扩散，界面变没了，在交界处形成了一个扩散层，液体的折射率由下向上逐渐减少，产生一个密度梯度，此时液体配制完成。②现象演示。首先打开激光笔C，从水槽侧面窗口H观察光束在非均匀食盐水中弯曲的路径，然后打开射灯D，照亮实景物，在景物另一侧窗口K处观察模拟的海市蜃楼景观[3]。
3.1
实验虽为溶液法，但是配液过程并没有像传统的溶液法那样，而是利用溶解扩散法配液（溶解扩散法即：利用食盐溶解扩散形成有一定密度梯度的溶液层）。先在水槽底下平铺满一层盐巴，之后在上面放置一个缓冲装置纱网框，如下图。
图4平铺氯化钠
这种方法与常用的配液法有一大好处就是能在开始到注满水时，盐溶液与清水在某时段明显分开。相当于比常用的配液法（在水槽内先注入配好的盐溶液，然后慢慢注入清水，使其形成浓度不均匀的分层的溶液）这样处理不用等溶液中的杂质沉淀，溶液不会那么浑浊，液面也比较稳定，这样也更利于形成有密度差的平稳的交界面，从而提高实验的成功率。但是这种方法也存在一定的缺陷：就是关于食盐溶解度与溶解速度的问题，食盐中主要成分是氯化钠，根据氯化钠容易的溶解度曲线可知随温度上升，其溶解度增大，故就要考虑到溶剂的温度和室内温度，所以要想溶质溶解快些，可以用温水来做溶剂，这极大的缩短了实验所需时间[10]。考虑到溶液扩散与温度间的关系，水温不能太高也不能太低，太高的话会使食盐迅速溶化、扩散。由于注水是缓慢注入的，这很可能会使得在水槽未注满水时槽里的溶液就变成均匀的，以致无法达到海市蜃楼现象再现的条件况且水温过高也不利于控制。太低的话会使得盐层久久不融化，导致的实验时间过长或无法进行，作为一个演示实验，不适合学生的观察，所以把水温控制在40℃左右就好了。此外食盐的粗细也影响其溶解速度，实验中用精盐比较好。
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全反射形成的像：当入射角增大到临界角的时候,就会发生全反射如图2。当人眼在A处逆着光线Ab′观察,可以看到经全反射形成的倒立的虚像，当人眼在B处逆着光线Ba′可以看到经折射形成的正立的虚像。
图2光线的全反射
2 两种
现在实验室中有两种常见的海市蜃楼现象再现的方法，分别是空气法和溶液发。空气法主要根据空气在不同高度和温度不同时有不同的密度的反常变化，使得光线在传播过程出现不同的折射率，进而出现上现蜃景[2]。在沙漠中和沿海、沿河等地方出现的蜃景一般属于空气法的衍生品。由于空气法中空气受外界的影响很大，稍微有个风吹草动就会出现很大的变化，而且成像时间短也使得现象不容易观察，作为一个演示实验要在较短的时间内得到清晰的实验现象很重要，况且这个方法的成功率不高，故在实验室中并不可取。
由折射定律得:
（1）
（2）
联立（1）、（Байду номын сангаас）式可得
联立①、②式可得:可见，当i、n为定值时，由于n >n2推出r >i，因此，从下层液体进入上层液体的入射角不断增大，当增大到由某两层液体的折射率决定的临界角时，就会发生全反射，如图所示.当人眼在A处逆着光线Ab′观察，可以看到经全反射形成的倒立的虚像。
3.3
在注入水的过程中会观察到溶液的分层，如图5。这是刚刚开始的，由于食盐的溶解需要一定的时间，我们可以看到两个明显的溶液，水槽下面是密度比较大的盐溶液，上面则是清水。过一段时间后，随着食盐慢慢溶解，溶液慢慢扩散，就会得到密度不同的溶液层。随着清水慢慢的注入，当清水差不多注满整个水槽时，轻轻地取出纱网框，开启射灯，拿起激光笔，仔细观察溶液的变化及光路的特征。随着时间的推移，食盐溶液慢慢地自然扩散，形成浓度不同的分层液面，如图6。这时候就要在上现蜃景观察窗口观察等待蜃景的出现，由于蜃景出现的时间是难以预测的，这要求时刻认真地观察等待，随时拿好相关的拍摄工具，捕捉最理想的实验现象。这时还要时刻注意水流有没冲刷到盐层直至水快满槽口时，轻轻取出纱网框。
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复杂蜃景的影像扭曲或破坏物体的显著特征，经常使这些物体难以被辨认。复杂蜃景可以出现在海上、陆地，在极区或在沙漠，其中在极地出现的最大。这种蜃景几乎可以涉及远处所有类型的物体，包括船、岛屿、和海岸线等。
复杂蜃景往往是瞬息万变的。蜃景包括一些倒影(上下颠倒)和抬升(笔直的上升)的影像，并且会与另一个影像堆栈在一起形成错综复杂的影像。复杂蜃景还会交替的呈现压缩和伸展的区域。这种光学现象的发生是因为光线通过空气中温度不同的陡峭逆温层经由大气波管造成的(逆温层存在的条件是当暖空气存在于有明确界限定义可区别的冷空气之上。这种温度反转是异常的状态，通常是越靠近地面的温度越高，而越上层温度越低[8]。)在平稳的天气，一层明显温暖的空气可以滞留在较冷而密度较高的空气之上，造成行为像透镜折射的大气波管，产生一系列包括倒置和抬升的影像。复杂蜃景的存在需要波管；单独只有逆温层不足以形成海市蜃楼。逆温层经常单独出现而没有大气波管；但没有逆温层先形成，大气波管是不可能存在的。