不知道大家在炎熱的夏天，有沒有看到過這樣的一個(ge) 現象：在不遠的前方，路麵上好像有一灘水，還映出了前車的倒影。但我們(men) 走過去一看，路麵上其實根本就沒有水。

你並沒有出現幻覺，這是一種光的折射和全反射現象，通常稱作海市蜃樓。

01

斯涅爾定律

我們(men) 之前說過，光在不同介質間傳(chuan) 播的時候，傳(chuan) 播方向一般會(hui) 發生變化。比如一束光從(cong) 空氣斜射入水中，會(hui) 向下偏折。出現折射的原因是因為(wei) 光在不同介質中的傳(chuan) 播速度不同。人們(men) 用折射率n表示光在不同介質中傳(chuan) 播速度的不同，折射率n等於(yu) 真空中光速c與(yu) 介質中光速v的比：，也就是說：介質的折射率n越大，光在介質中傳(chuan) 播的速度v越小。

顯然，真空中光速v=c，折射率n=1；空氣中光速接近於(yu) 真空中光速，因此；其他介質中光速都小於(yu) 真空中光速，折射率n>1。

折射率主要由介質材料決(jue) 定，但是與(yu) 光的波長也有一定關(guan) 係，這就是色散現象。上表中的折射率指的是這種材料對光的平均折射率。

光線在折射率不同的兩(liang) 種材料中傳(chuan) 播時，角度的關(guan) 係滿足斯涅爾定律，用荷蘭(lan) 物理學家威理博·斯涅爾的名字命名。

其中n是折射率，是介質中光線與(yu) 法線的夾角，是正弦函數，它在0-90度的區間內(nei) 是一個(ge) 增函數，也就是說，角度越大，sin也會(hui) 越大。通過這個(ge) 公式我們(men) 就會(hui) 發現：如果材料的折射率n比較大，那麽(me) 介質中的角度就小，這種介質就稱為(wei) “光密介質”；如果材料的折射率n比較小，那麽(me) 介質中的角度就大，這種介質就稱為(wei) “光疏介質”。

比如，空氣相對於(yu) 水就是光疏介質，水相對於(yu) 空氣就是光密介質。光從(cong) 空氣射入水中，折射率變大，折射角小於(yu) 入射角，因此光線向法線偏折。

02

全反射現象

如果光線從(cong) 水中射入空氣中，情況又是如何呢？由於(yu) 水是光密介質，角度較小，空氣是光疏介質，角度較大，因此光線會(hui) 向水麵偏折。如果增大水中光線的入射角，那麽(me) 空氣中的折射角也會(hui) 增大，在某個(ge) 時刻，空氣中的折射角達到90度，此時就稱為(wei) “掠出射”。如果繼續增大入射角，那麽(me) 折射光線無論折射向哪裏都不合理了。此時會(hui) 出現一種奇特的現象：折射光線消失，隻剩下反射光線，這種現象就稱為(wei) “全反射”。

光線以不同角度射出水麵

全反射在生活中有很多應用，比如光導纖維就是利用光線在內(nei) 芯和外套之間反複全反射傳(chuan) 播信號的。

03

海市蜃樓

現在我們(men) 就可以解釋“海市蜃樓”了。先說說什麽(me) 叫“蜃”呢？

龍生九子，九子各不相同，其中有一個(ge) 兒(er) 子就叫蜃，蜃喜歡吞雲(yun) 吐霧，它在海上把東(dong) 西都吞到肚子裏去，一會(hui) 兒(er) 又吐出來，這時，人們(men) 就可以看到有些東(dong) 西浮在海平麵上。這隻是一種神話傳(chuan) 說，“海市蜃樓”實際上是一種光的折射現象，在海洋和沙漠中都可能出現。

在海洋上，海水比熱容更大，也就是說，在接受太陽照射時，海水不容易升溫。在強烈的太陽照射下，靠近海水的地方，空氣溫度比較低，密度較大，折射率較大，屬於(yu) 光密介質。高層空氣溫度較高，空氣受熱膨脹，密度較小，折射率較小，是光疏介質。光線從(cong) 光密介質射向光疏介質，就像從(cong) 水中射向空氣一樣，折射角變大，光線會(hui) 趨於(yu) 水平。假如海麵上有一艘船，這艘船反射出的光線向上射，就會(hui) 在各個(ge) 不同的空氣層之間發生折射，發生彎折。

如果在還沒有發生全反射時，光線就進入了人眼。那麽(me) 人眼就會(hui) 以為(wei) 物體(ti) 在遠方的高處，形成正立的蜃景。如果光線在傳(chuan) 播過程中發生了全反射，人們(men) 逆著光線看去，就會(hui) 看到倒立的蜃景。

沙漠中的海市蜃樓成因剛好與(yu) 海洋上相反。沙子的比熱容很小，所以靠近沙漠的地方空氣溫度比較高。空氣受熱膨脹，密度較小，折射率較小，是光疏介質。上層的空氣距離沙子較遠，溫度相對較低，空氣密度相對較大，折射率較大，也就形成了光密介質。光線從(cong) 上向下照射時，從(cong) 光密介質進入光疏介質，相當於(yu) 從(cong) 水射向空氣，折射角變大，光線偏向水平。當折射角增大到一定程度時，就會(hui) 發生全反射而向上照射。

比如有一朵雲(yun) 彩飄在空中，它反射的光線經過折射和全反射被地麵上的人觀察到。大腦會(hui) 認為(wei) 光線依然是直線傳(chuan) 播的，因此認為(wei) 雲(yun) 彩在地下。雲(yun) 彩不會(hui) 在地下，所以人們(men) 會(hui) 認為(wei) 地麵上有一個(ge) 可以反射光線的物質，那就是水，這就是沙漠中海市蜃樓的原理。由於(yu) 沙漠中沙子的溫度非常高，形成蜃景的光線在靠近沙子時一定會(hui) 發生全反射，所以在沙漠中的海市蜃樓都是倒像。

炎熱夏天的馬路溫度也非常高，形成的效果與(yu) 沙漠相同。所以在靠近地麵的位置，光線很容易發生全反射，映出車輛的倒影，就會(hui) 讓人們(men) 誤以為(wei) 地麵上有水。下次再遇到這種現象，別再被你的眼睛欺騙了哦。

來源：李永樂(le) 老師


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