海市蜃楼现象的模拟与研究

房若宇

(浙江大学，浙江 杭州　310027)



海市蜃楼现象的模拟与研究

房若宇

(浙江大学，浙江 杭州310027)

利用食盐和蔗糖溶液，分别构建了两种不同的体系来模拟海市蜃楼现象，均实现了良好的上现蜃景。同时对两种体系在实验过程中出现的各种现象和成像效果做了比较，从物理实验的角度形象地加深了对海市蜃楼这一神秘自然景观的认识和理解。

食盐；蔗糖；海市蜃楼；上现蜃景

“海旁蜄气象楼台；广野气成宫阙然。”在古代，古人常常将海市蜃楼这种自然的光学现象比作神灵仙境，或者是冥府异域，对之或是尊敬伏拜，或是奔走恐惧。而事实上，海市蜃楼只不过是大自然的光线给人类开的一个大玩笑。海市蜃楼多发生于大海与沙漠中，根据地形气候等多种因素可以分为上现蜃景、下现蜃景、双层蜃景和复杂蜃景。本实验利用浓度连续变化的溶液来模拟大气中密度连续变化的空气，在实验室里实现了上现蜃景景观。上现蜃景，指的是当近地面的温度直减率比其正常值低时，尤其是在雪原和寒冷海洋等处上空的逆温条件下，在大气中形成的位于实物位置之上的物像[1-5]。简单来说就是光线在不同密度的空气层中发生了折射与全反射，导致所形成的虚像位于实物的上方。中国的沿海地区最常见的便是上现蜃景。

1　海市蜃楼的成因分析

在现实的海市蜃楼现象中，大气层作为一种不均匀介质，在物体的光进入大气层时，在达到一定的折射率时，发生全反射现象[6-8]。而由物点发出的光线，经大气层的折射，其反射线反向延长线的交点形成虚像点，其集合便是虚像，也就是我们眼中看到的海市蜃楼。

图1　光路原理图

如图1所示，设一束从远处景物a发出的光线以入射角i由折射率为n处射入空气层，由折射定律得：

nsini=n1sini1

(1)

n1sini1=n2sinr

(2)

联立(1)(2)式可得：

可见，当i、n为定值时，由于n>n2，所以r>i，从下层空气进入上层空气的入射角不断增大，当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时，就会发生全反射。当人眼在A处逆着光线观察，可以看到经全反射形成的倒立的虚像。当人眼在B处逆着光线观察，可以看到经折射形成的正立的虚像。

2　实　　验

2.1实验器材

长方形透明玻璃缸(280mm*86mm*179mm)、烧杯、食盐、蔗糖、水、搅拌棒、保鲜膜、激光笔等。实验装置示意图如图2所示。

图2　实验装置示意图

2.2实验溶液的配制

2.2.1配制饱和食盐(蔗糖)溶液

在烧杯中加入温水与食盐(蔗糖)，待食盐(蔗糖)不再溶解后，冷却至室温。

2.2.2配制具有折射率梯度的扩散层

过滤饱和食盐(蔗糖)溶液，将溶液倒入玻璃缸中约一半处。将被清水浸湿的保鲜膜平铺在食盐(蔗糖)溶液表面。向玻璃缸中注入清水至玻璃缸口。将保鲜膜轻轻抽出，不要引起水的晃动，此时可以看到玻璃缸中出现了明显的分层。之后再继续静置2h、4h和6h后，再观察实验现象。

另外为了加快实验进程，得到更厚更稳定的扩散层，自制了一种能加快初始扩散的装置，如图3所示。该装置底部有42*13个孔，各间距6mm。如图4所示。

图3 　加速扩散装置

图4　加速扩散装置的底部图

3　实验结果

在溶液静置2h、4h和6h后分别观察实验现象，能看到玻璃缸中出现了明显的分层，由上至下依次是水层、扩散层以及饱和食盐(蔗糖)溶液层。用激光笔照射水面，能观察到光路及海市蜃楼现象。同时对食盐和蔗糖两种溶液体系的实验现象做了对比，结果如表1所示。

表1　食盐和蔗糖两种溶液体系成像效果的对比

4　结　　论

用食盐和蔗糖溶液，构建了两种体系模拟出了海市蜃楼景观，同时通过对两种体系的实验现象对比，得到了食盐在溶解、扩散、成像方面用时比蔗糖短，但扩散层较模糊，且成像消失较快，总体效果不如蔗糖的结论。另外该实验使用了自制的能加速扩散的浮槽，使液体分层更均匀，且全部注液完成后便可以观察成像效果，有效地缩短了实验时间。

[1]王长波、王章野，等.海市蜃楼现象的真实感绘制[J].计算机学报，2006,29(12)2080-2085

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[5]朱建华.如何在课堂上重现蜃景[J].太原大学教育学院学报，2011,29(1)：98-101.

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[8]尹学爱.海市蜃楼演示装置的改进[J].物理实验，2014,34(5)：24-25.

Simulation and Study of Mirage Phenomenon

FANG Ruo-yu

(Zhejiang University,Zhejiang Hangzhou 310027)

Twodifferentsystemswerefabricatedtosimulatethenaturalmiragephenomenonemployingaqueoussolutionsofcommonsaltandcanesugar,respectively；andidealsuperiormiragewasachievedinbothcases.Detailedcomparisonwasmaderegardingtheexperimentalphenomenaandimagingeffectsin-betweenthetwosystems,whichdeepensthecognitionandunderstandingofthemysteriousnaturalmiragephenomenoninthepointofviewofphysicalexperiment.

commonsalt；canesugar；miragephenomenon；superiormirage

2016-02-29

1007-2934(2016)04-0046-03

O435.1

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.015