物理系学年论文人工实现“海市蜃楼”

集宁师范学院

学年论文

人工实现“海市蜃楼”

系别物理系

专业物理学

班级10级一班

姓名李金东

学号201010730116指导教师冀文慧

日期2012 年6月8日

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Key Words (1)

1 引言 (1)

2实验原理 (2)

2.1从光学角度分析 (2)

2.2从近轴光线方程出发对“海市蜃景”的解释 (4)

3设计思想 (7)

4实验仪器 (8)

5实验准备 (8)

5.1制食盐溶液和酒精溶液 (8)

5.2配制具有折射率梯度的扩散层 (8)

6实验观察 (10)

7实验现象及其出现此种情况的原因 (10)

8实验结论 (10)

7.1、在具有正折射率梯度的扩散层的溶液中观察到的景象及其原因解释11 7.2、在具有反折射率梯度的扩散层的溶液中观察到的景象及其原因解释：11 7.3、在具有正反折射率梯度同时出现的扩散层溶液中观察到的景象及其原因解释 (11)

7.4、彩虹现象 (11)

参考文献 (12)

人工实现“海市蜃楼”

学生姓名：李金东

集宁师范学院物理系学号：201010730116

指导老师：冀文慧职称：讲师

摘要：主要说明了海市蜃楼的人工实现方法、理论指导、实验操作以及实验过程中需要注意的问题。

关键词：海市蜃楼；人工模拟；实验验证；理论指导

Artificial "mirage"

Abstract:Mainly illustrates a mirage of the artificial method, theoretical guidance and experimental operation and need to be aware of the problems in the process of experiment.

Key Words：A mirage; Artificial simulation; Experimental verification; Theoretical guidance

一、引言

在我国古代传说中, 海市蜃楼这一奇特的自然现象, 是蜃乃蛟龙之属, 能吐气而成楼台城廓, 又说海市是海上神仙的住所, 它位在“虚无飘渺间”,因而得此名。宋朝沈括在《梦溪笔谈》中这样写道:“登州海中时有云气, 为宫室台观, 城堞人物, 车马冠盖, 历历可睹。”在没被充分认识的时候, 往往被人们神秘化。

尽管一些人在其一生中总有一两次机会, 可以亲眼目睹到最为简单的海市蜃楼影像———如在炽热公路上空呈现的蔚蓝色小湖泊, 但我们对海市蜃楼这一自然现象依然不甚了解。对这种现象, 通过图纸和公式, 光学学家不难作出科学的解释。但是, 有成千上万的人看到天空中“悬挂”的城市、离奇古怪的城堡, 甚至一整支军队⋯⋯对于这样的自然奇观,就连科学家也不知其所以然。“法塔·莫尔卡娜”就是这样一种独具一格和不可捉摸的海市蜃楼。

但随着人类科技的发展, 海市蜃楼这种由阳光在大气中折射而产生的光学现象。

它是远处景物反映在天空或地面而形成的幻景，夏天，在海面或沙漠上空有时会出现。“海市蜃楼”现象是怎样形成的呢？因为全反射形成的像应是倒立的，而不是正立的。我们西南师大基础物理实验示范中心将“模拟‘海市蜃楼’现象的观察”实验作为物理学专业四年级创新物理实验研究的重要内容。经过努力，用恒定的不同梯度的液体层来模拟“海市蜃楼”现象的出现，取得了成功。

二、实验原理

2.1. 从光学角度分析

当一束光线从一种透明介质到达另一种透明介质时其线路会发生改变,这就是光的折射。如图1所示:ML 为透明介质A 、B 的分界面, N 为法线,θ1为入射角,θ2 为折射角。设光在A 中的速度为v1 ,

在 B 中的速度为v2 ,由折射定律可得: sinθ

1/sinθ2 = v1/v2 .我们通常把光速较快的介质

叫光疏介质,把光速较慢的介质叫光密介质。由

上面的式子可知:光线从光疏介质进入光密介质

时,入射角大于折射角,光线折向法线。光线从光

密介质进入光疏介质时,入射角小于折射角,光线偏离法线。当光线从光密介质进入光疏介质时,光线偏离

法线。显然,在此情形下存在一小于90°的入射角θ,在这入射角下,折射角等于90°,折射线掠过分界面,如图2 所示。当折射角大于θ时,折射线就不存在,入射线全部被反射,这种现象叫做全反射,如图3 所示。

用一个玻璃缸,先向里面

倒入一部分水（或浓盐水）, 然

后加入酒精（或水）。此时两种液体之间有一个非常明显的分界面。因为光线在酒精（或水）中的速度小于在水（浓盐水）中的速度,如此时一束光线从上而下经酒精（水）到达水里面,在分界面会发生折射。折射线偏离法线。长时间保持玻璃缸不动,两种液体互相浸润,分界面处变成一个广延的过渡区。此中包含很多相继而连续的液层,每层都是酒精（水）在上面、水（浓盐水）在下面的混合层。最上层为纯酒精（纯水）最下层为纯水（纯浓盐水）。当一束光线通过酒精（水）和水（浓盐水）的混合区时,光线由上层到下层时会有逐渐弯曲的路径。如果入射线的倾角变得相当小时,光线竟能具有相当的曲度而向上折射,如图 4 所示。这是因为光线每经过酒精和水的混合层时,就是从光密介质到光疏介质的过程,就要发生一次光线偏离法线的折射,每一次的入射角都会比上一次的入射角大,如图5 所示。当入射角增到一定值时,就会发生全反射。光线的方向就变成自下而上,每经过一混合层,就是从光疏介质

到光密介质的过程,就要

发生一次光线折向法线的

折射,如图6 所示。

图4，图5我们画一

下上面实验的成像光路图,

如图7 所示。

位于两射线的向后延长线上。此种像的位置,就好像由P点出发的射线曾在表观反