5　海市蜃樓的秘密——光的折射

知識導(dǎo)航

中國古代常記載蓬萊仙山一說，古人歸因于蛟龍之屬的蜃，吐氣而成樓臺城廓。其實(shí)就是在山東蓬萊海面上常出現(xiàn)高大樓臺、廟宇、城廓、樹木等幻景，這個場景現(xiàn)在人們知道叫作海市蜃樓，它是光線在沿直方向密度不同的氣層中，經(jīng)過折射造成的結(jié)果。常分為上現(xiàn)、下現(xiàn)和側(cè)現(xiàn)海市蜃樓。

海市蜃樓，又稱蜃景

自古以來，蜃景就為世人所關(guān)注，在西方神話中，蜃景被描繪成魔鬼的化身，是死亡和不幸的兇兆。我國古代則把蜃景看成是仙境，秦始皇、漢武帝曾率人前往蓬萊尋訪仙境，還多次派人去蓬萊尋求靈丹妙藥?，F(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)對大多數(shù)蜃景作出了正確解釋，認(rèn)為蜃景是地球上物體反射的光經(jīng)大氣折射而形成的虛像，所謂蜃景就是光學(xué)幻景。蜃景與地理位置、地球物理?xiàng)l件以及那些地方在特定時間的氣象特點(diǎn)有密切聯(lián)系。氣溫的反常分布是大多數(shù)蜃景形成的氣象條件。海市蜃樓通常有兩個特點(diǎn)：一是在同一地點(diǎn)重復(fù)出現(xiàn)，比如美國的阿拉斯加上空經(jīng)常會出現(xiàn)蜃景；二是出現(xiàn)的時間一致，比如我國蓬萊的蜃景大多出現(xiàn)在每年的五六月份，俄羅斯齊姆連斯克附近蜃景往往是在春天出現(xiàn)，而美國阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以后的20天內(nèi)出現(xiàn)。

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無處不在的折射現(xiàn)象

生活中其實(shí)經(jīng)常都出現(xiàn)光的折射現(xiàn)象，只是我們不太注意，比如在炎熱夏天的柏油馬路上，貼近熱路面附近的空氣層同熱沙面附近的空氣層一樣，比上層穿空氣的折射率小，從遠(yuǎn)處物體射向路面的光線，也可能發(fā)生全反射，從遠(yuǎn)處看去，路面顯得格外的明亮光滑，就像用水淋過一樣；夏天走過馬路，由于熱汽的原因，發(fā)現(xiàn)馬路對面的人和建筑出現(xiàn)歪歪扭扭的晃動；雨天過后，出現(xiàn)的彩虹；當(dāng)你用一根直桿傾斜地插入水中時，可以看到桿在水下部分與它露在水上的部分好像折斷的一般等等。長島是中國海市蜃樓出現(xiàn)最頻繁的地域，特別是七八月間的雨后。

海市蜃樓是光的折射，那么光的折射的定義是什么呢？光的折射就是指光從一種透明介質(zhì)斜射入另一種透明介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象叫光的折射。光的折射與光的反射一樣都是發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界處，只是反射光返回原介質(zhì)中，而折射光則進(jìn)入到另一種介質(zhì)中。由于光在兩種不同的物質(zhì)里傳播速度不同，故在兩種介質(zhì)的交界處傳播方向發(fā)生變化，這就是光的折射。

光的折射用現(xiàn)代的物理學(xué)解釋，就是：光是一種電磁波，在傳播過程中有兩個垂直于傳播方向的分量：電場分量和磁場分量，當(dāng)電場分量與傳播過程中的每一個原子發(fā)生作用，引起電子極化，即造成電子云和原子荷重心發(fā)生相對位移，其結(jié)果是一部分能量被吸收，同時光的速度被增大，方向發(fā)生變化，導(dǎo)致折射的發(fā)生。反射和折射不能用粒子性解釋，應(yīng)用經(jīng)典粒子理論得到的折射速度不對。光的反射是指光傳播到不同物質(zhì)時，在分界面上改變傳播方向又返回原來物質(zhì)中的現(xiàn)象。折射和反射方向都能探測到光子。

光的折射現(xiàn)象

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光的反射與折射

在兩種介質(zhì)的交界處，既發(fā)生折射，同時也發(fā)生反射。反射光的光速與入射光相同，折射光光速與入射光不同。光的反射有一個定律，即：在反射現(xiàn)象中，反射光線、入射光線和法線都在同一個平面內(nèi)，反射光線、入射光線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。這就是光的反射定律，簡稱為三線共面，兩線分居，兩角相等。在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的光的反射。同時還有一些定義，入射點(diǎn)：入射光線與鏡面的交點(diǎn)；法線：過入射點(diǎn)且垂直于鏡面的直線叫作法線；入射角：入射光線與法線的夾角叫作入射角；反射角：反射光線與法線的夾角叫作反射角。