“海市蜃樓”“上蜃”的成因究竟是什么？

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1、“海市蜃樓〞“上蜃〞的成因究竟是什么？ 摘要：根據(jù)光的折射和全反射的規(guī)律，結(jié)合人們看到海市蜃樓的情景，分析教科書對海市蜃褸的形成解釋不要的原因，并提出海市蜃樓中“上蜃〞形成的可能原因〔僅為推測〕. 關(guān)鍵詞：海市蜃樓;上蜃;全反射 站在海邊的人們，凝望平靜的大海時，不經(jīng)意間，說不定會有一幅美輪美奐的畫面從天空映入眼簾—亭臺樓閣懸浮在空中，車馬行人穿行于鬧市，高山流水、森林瀑布等諸多美景變幻莫測，時隱時現(xiàn)……，這便是人們常說的海市蜃樓現(xiàn)象. 2021年3月19日上午，山東省青島西海岸新區(qū)靈山灣海域，在靈山島附近.海平面出現(xiàn)幾座高樓狀物體，原本空蕩的海平面突然出現(xiàn)上蜃的奇景〕.反之，看到的

2、像為倒立方向的為下蜃.在人們抬頭仰望天空所能看到的蜃景中，上蜃出現(xiàn)的幾率比下蜃出現(xiàn)的幾率大得多〔馬路上海市蜃樓的情景多為下蜃〕.筆者發(fā)現(xiàn)，不同時期的教科書對海市蜃樓成因的解釋不盡相同.受早期教科書對海市蜃樓成因解釋的影響，一些教輔用書及期刊多將大氣中的某一水平假想面對光的全反射，作為海市蜃樓現(xiàn)象形成的主要原因.近期出版的物理教科書將之前“海市蜃樓〞成因的“全反射〞說，更改為現(xiàn)在的“折射〞說. 筆者把不同時期的教科書對海市蜃樓形成原因的解釋進(jìn)行摘錄. 早期的人教社高中物理教科書從光的折射及全反射的角度，對“海市蜃樓〞現(xiàn)象的形成原因作如下解釋：〔詳見全日制普通高級中學(xué)教科書〔必修加選修〕?物理

3、?第三冊，人教社2021年版〕 海市蜃樓是光在密度分布不均勻的空氣中傳播時發(fā)生全反射而產(chǎn)生的.夏天，海面上的下層空氣，溫度比上層低，密度比上層大，折射率也比上層大，我們可以把海面上的空氣看作是由折射率不同的許多水平氣層組成的，遠(yuǎn)處的山脈、船舶、樓房、人等發(fā)出的光線射向空中時，由于不斷被折射，越來越偏離法線方向，進(jìn)入上層空氣的入射角不斷增大，以至發(fā)生全反射，光線反射回地面，人們逆著光線看去，就會看到遠(yuǎn)處的景物懸在空中. 新版人教社初中物理教科書對“海市蜃樓〞的成因解釋如下： 我們已經(jīng)知道，光在同種均勻的介質(zhì)中沿直線傳播.如果介質(zhì)密度不均，光就不會沿直線傳播，而是發(fā)生折射.海市蜃樓是一種由光

4、的折射產(chǎn)生的現(xiàn)象，多發(fā)生在夏天.夏天空氣較熱，但海水比較到達(dá)我們的眼中，但有一些射向空中的光，由于不同高度的空氣疏密不同而發(fā)生彎曲，逐漸彎向地面，進(jìn)入觀察者的眼睛.觀察者逆著光望去，就看見了遠(yuǎn)處的物體〔參見圖2.圖2是教科書這局部內(nèi)容的插圖〕. 筆者以為，上面摘錄的這兩段不同時期的教科書對海市蜃樓形成原因的解釋，都有值得商榷的地方.先分析早期教科書解釋不妥的原因——“海市蜃樓〞中“上蜃〞的形成原因不可能是由于光的全反射. 首先，除云層的外圍，大氣層內(nèi)部的任何假想面均不具備發(fā)生光反射的條件. 說明的是，模型與實物相比雖說有共性，但二者絕不能等同，它們之間在一些方面或許非常相似，但是，在其它

5、方面甚至有可能會存在質(zhì)的區(qū)別.實際海面上方的空氣，盡管密度隨海拔高度的增加而減小，但卻不會因為人們建立了分層排布的空氣物理模型而發(fā)生密度的躍遷，其密度的變化總是連續(xù)的.換句話說，除云層的外圍，空氣中不可能存在對光反射的反射面，更不可能存在可以發(fā)生所謂對光“全反射〞的水平假想空氣面〔云層的外圍對光的反射，屬于漫反射，不會像平靜的水面那樣因發(fā)生鏡面反射而成像〕.所以，對于海面上方密度隨高度增加而遞減的空氣來說，當(dāng)光線在其中向上斜射時，光的傳播方向雖然確實會“越來越偏離法線方向〞，但因沒有供其反射的反射面，光線不可能“調(diào)頭〞斜向下入射而進(jìn)入地面上人的眼中. 其次，假設(shè)將全反射作為海市蜃樓的形成原因

6、，我們將會從邏輯上推出多個與事實不相符甚至相悖的現(xiàn)象. 由于水的比熱容較大，夏天，海水的溫度較空氣的溫度低，正如課本所言，海面上的下層空氣，溫度會比上層低，密度比上層大，折射率當(dāng)然也比上層大，大氣中從地面斜向上入射的光線會逐漸偏離原來的方向，朝著遠(yuǎn)離鉛直線的方向偏折，而且海面上方大氣中光線的這種偏折規(guī)律將是一種普遍現(xiàn)象.假設(shè)空氣中真的存在一些供光反射的水平反射面，那么說明，海市蜃樓成因的“全反射〞之說是站不住腳的. 如果“海市蜃樓〞中的“上蜃〞現(xiàn)象是由于全反射而形成的，那么，人們從空中看到的景物與地面上的實物相比，將會上下顛倒. 假設(shè)海面上方的空氣是由許多密度不等〔密度隨高度的增加而遞減

7、〕的水平空氣層所組成，相鄰兩層間都存在密度的躍遷.如圖3所示，設(shè)MN為密度不同的兩水平空氣層的分界面，一束光〔注意是“一束光〞，而非一條光線〕以大于臨界角的角度射向分界面MN并發(fā)生全反射，因為分界面MN是水平的，由圖可知，入射光束“外圍〞的兩條入射光線AB與CD相比，本來位居上方的入射光線AB，經(jīng)分界面MN反射之后，它所對應(yīng)的反射光線BH將位居折射光束外圍的下方.這就是說，地面上的物體經(jīng)密度不同的兩水平空氣層間的分界面全反射所成的康像，與原物體相比，均是上下顛倒的〔如果不是因為下層空氣的折射，地面上的物體經(jīng)假想水平空氣分界面的全反射所成的像，應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的平面鏡成像，像與物將關(guān)于分界面對稱〕.而

8、在上蜃現(xiàn)象中人們所看到的像均是正立的，所以從這一點(diǎn)來看，海市蜃樓“上蜃〞的形成，也不應(yīng)該是因為光的全反射. 既然海市蜃樓的形成不可能是光全反射的結(jié)果，那唯一的情況只可能是由于光的折射而形成. 再分析近期出版的教科書對海市蜃樓形成解釋不妥的原因. 從近期教科書對海市蜃樓形成原因的解釋來看，跟早期教科書建立的物理模型類似，也是將海面上方的空氣看作自下而上密度遞減的空氣層所組成，從遠(yuǎn)處物體發(fā)出的斜向上入射的光線，由于光的折射，確實會發(fā)生彎曲.但是，如果不是因為光的反射，僅僅是由于光在密度不等的水平空氣分界面發(fā)生折射的話，斜向上入射的光線經(jīng)折射后，折射角會逐漸增大，但絕對不會“掉頭〞向下折射.換

9、句話說，教科書中“有一些射向空中的光，由于不同高度的空氣疏密不同而發(fā)生彎曲，逐漸彎向地面〞的說法是沒有道理的. 那么，“海市蜃樓〞中“上蜃〞的形成原因究竟是什么？我們不妨對形成海市蜃樓現(xiàn)象的原因作大膽推測. 海面上，假設(shè)有兩大的熱空氣團(tuán)，它們中間夾一密度大的冷空氣帶，由于受特定氣流的影響，兩個熱空氣團(tuán)在作相向運(yùn)動，由于熱空氣的密度較小，當(dāng)它們同時遇到密度大的冷空氣帶時〔同時相遇的幾率不大，這只能說是巧合〕，從冷空氣帶的兩個側(cè)面同時向上爬升.如果海邊的人與遠(yuǎn)處的景物〔比方亭臺〕剛好分別處于兩熱空氣團(tuán)之中，那么，在欣賞者與景物亭臺之間，便會形成一個由密度較大的冷空氣“做成〞的非常大的“空氣凸透

10、鏡〞，由于冷空氣的密度較熱空氣大，所以由冷空氣組成的“空氣凸透鏡〞的折射率要比它兩側(cè)的熱空氣大如圖4.當(dāng)景物亭臺剛好位于該“空氣凸透鏡〞的焦點(diǎn)F之內(nèi)時，景物亭臺經(jīng)“空氣凸透鏡〞成一個正立、放大的虛像，人逆著經(jīng)過“空氣凸透鏡〞折射進(jìn)入眼睛的光線望去，就會看到正立的亭臺影像懸浮于空中. 由于這樣的“空氣凸透鏡〞的形成需要極為苛刻的大氣環(huán)流條件，而且很不穩(wěn)定，可能只會短時間存在，經(jīng)一段時間之后，在重力作用下，“空氣凸透鏡〞會很快“坍塌〞演變成相對穩(wěn)定的水平空氣層而居于熱空氣的下方.所以，海市蜃樓的美景不但罕見，而且持續(xù)的時間不長，往往是曇花一現(xiàn)，轉(zhuǎn)瞬即逝. 參考文獻(xiàn)： 【1】陳松榮.“海市蜃樓〞的真正原因[J].物理通報，2004〔9〕. 【2】人民教育出版社物理室.全日制普通高級中學(xué)教科書〔必修加選修〕.物理〔第三冊〕[M].北京：人民教育出版社，2021.15. 【3】人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理〔八年級上冊〕[M].北京：人民教育出版社，2021.83.