解释“蜃景”模型的实验探究

方锦飞 丁 兵

（江苏省邗江中学 江苏 扬州 225012）

笔者所能见到的物理新版高中课程标准实验教科书，人教版、沪科版教材都没有涉及到“蜃景”问题的解释.但是鲁科版的高中物理选修教材2－3，3－4［1］，苏科版的高中物理选修教材3－4［2］，粤教版的高中物理选修教材2－3［3］里都有“蜃景”的解释，其解释都涉及到全反射.笔者认为用全反射解释蜃景是人为想象、是完全错误的.高中物理人教新版已经做了修订，作为其他版本教材也不应该出现这样的错误，应加以纠正.

关于解释“蜃景”的模型选择，笔者在《光在非均匀介质中的传播》［4］中已有详细的阐述，摘要如下.

光在非均匀介质中传播时光路是平面曲线，即光在传播过程中方向不会发生突变，也就没有全反射.实际大气情况是非常复杂的，但在特定条件下，在某一局部范围内大气的密度是不均匀的，但变化是有规律的，根据不同“蜃景”分为两种情况讨论.

图1

（1）如果大气密度变小，且密度的变化可以认为是均匀的，这样的气层对光线的作用就相当于一个“棱镜”，如图1所示.光的方向虽发生了变化，但平行光仍然平行，海面上正立 “蜃景”的形成与图1棱镜成像类似，像的位置比物的位置高.

（2）如果大气密度变小，且密度的变化不均匀，变化率逐渐变大，这样的气层对光的作用就相当于一个“凸透镜”，如图2所示（不是中间厚边缘薄的圆凸透镜），光的方向也发生了变化，竖直方向的平行光不平行，相交了.沙漠中倒立“蜃景”的形成与图2凸透镜成像类似，像上下位置颠倒，但左右位置不颠倒，似乎和平面镜成像类似，但不同于平面镜成像 ——“像”、“物”轴对称的特点.

图2

笔者以前对沙漠中的蜃景考虑得也不全面，后面祥述.

先把笔者在文献［4］中做的模拟实验，探究得到的意外结果，整理如下.

用铁架台搭成65cm×30cm×14cm的架子，上面放用铁皮做成的60cm×28cm×2cm的容器，里面放满建黄沙，在容器下面放14只酒精灯，沙面上方依次放10支温度计，温度计离沙面的距离及测得的几组温度数据如表1.

沙里用金属温度计，沙面上方一般用液泡温度计，液泡的差别是比较大的，距离指的是液泡到沙面的距离，根据数据去除偶然因素（温度计不能及时测出所在位置的温度等）可以得到结论即加热以后沙面上方的温度逐渐变低，沙子的温度越高，沙面上方同一时刻相同距离的温差越大且不相等.

加热前让一束用“HJ－1型”氦氖激光器产生的稳定激光，从沙面上方8mm左右的地方平行通过，空气中看到的激光路径只有1mm左右，在距离实验装置2.8m的屏上可以得到一个中间直径9mm左右的圆形明亮光斑.

加热之初，发现屏上的光斑逐渐上移，形状并没有明显的变化，即激光通过沙面上方的空气后光线发生了偏折，沙面上方空气与倒放棱镜的光学效果是一样的.

表1 温度计离沙面距离及测得的温度

还有一个笔者事先没有想到会出现的重要的现象：随着温度的升高，圆形光斑在上移的过程中，逐渐变成竖直方向越来越扁的水平方向不变的椭圆，然后变成一条亮线，再变成椭圆，最后又变成圆形（图3）.此时的圆形光斑与之前的圆形光斑不同，上面的光与下面的光位置颠倒了.因为用遮光物挡住激光源的上方，而在光斑上发现遮住的是下方，而遮住激光源左方就遮住光斑上的左方.

图3

当初笔者也没有意识到这个现象的实质，因为在另外的方案中可以直接观察到倒立的像，最后在整理的过程中恍然大悟：加热过程中，整个光斑的上移及同时的变形，正是沙面上方的空气由顶角小的“棱镜”变成顶角大的“棱镜”，后变成焦距大的“透镜”，再变成焦距小的“透镜”的过程.此实验明确验证了：在特定的条件下，密度不均匀的空气，可以产生“棱镜”、“透镜”的光学效果.由此可见“棱镜”、“凸透镜”模型是正确的.

最后笔者要说明的是“马路蜃景”同“海市蜃楼”的产生原因是不一样的.鲁科版选修3－4认为“马路蜃景”也同沙漠里蜃景的原理一样.而笔者认为沙漠里有的情况下出现的蜃景和马路蜃景的原理一样，比如说沙漠里的“湖泊”蜃景.

只要留心观察，不管是炎热的夏天还是寒冷的冬天，在马路上适当的地点，都可以看到所谓的“马路蜃景”；马路蜃景不同于我们说的“海市蜃楼”.“马路蜃景”的产生，是光线在两种物质（一种透明、一种不透明）的界面处，不透明介质对光线的反射与吸收是与光线的入射角有关的，入射角越大吸收的光线越少反射的光线越多.如果反射面较平整的话，在适当的角度看到的反射面就像镜面一样，也就会看到所谓的“马路蜃景”，其实就像镜面成像.其道理与上课时，有的位置比较偏的学生看到黑板“反光或冒亮”是一样的.

但夏天马路温度比较高时看到的“马路蜃景”，是马路上有的地方像水淋过还有波光粼粼的感觉，而冬天很难看到.此原因是夏天路面温度与空气温度差较大，路面附近空气有不同的温度梯度，空气密度不均匀且也不稳定，光线传播时光路也不稳定；所以说沙漠里有时出现的“湖泊蜃景”与此类似.“马路蜃景”笔者经常见到.由于笔者没有见过“沙漠蜃景”，就所见到“沙漠蜃景”的描述而言，沙漠里出现的另外的一些蜃景，才是真正的“海市蜃楼”，亦可能是“马路蜃景”与“海市蜃楼”同时出现.

1 中学物理教材编写组.物理（选修2－3和3－4）.济南：山东科学技术出版社，2006

2 物理教材编写组.物理（选修3－4）.南京：科学技术出版社，2010

3 物理教材编写组.物理（选修2－3）.广州：广东教育出版社，2007

4 方锦飞.光在非均匀介质中的传播.物理教学探讨，2005（6）