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        解釋“蜃景”模型的實驗探究

        2011-02-02 08:08:10方錦飛
        物理通報 2011年8期
        關鍵詞:教材

        方錦飛 丁 兵

        (江蘇省邗江中學 江蘇 揚州 225012)

        筆者所能見到的物理新版高中課程標準實驗教科書,人教版、滬科版教材都沒有涉及到“蜃景”問題的解釋.但是魯科版的高中物理選修教材2-3,3-4[1],蘇科版的高中物理選修教材3-4[2],粵教版的高中物理選修教材2-3[3]里都有“蜃景”的解釋,其解釋都涉及到全反射.筆者認為用全反射解釋蜃景是人為想象、是完全錯誤的.高中物理人教新版已經(jīng)做了修訂,作為其他版本教材也不應該出現(xiàn)這樣的錯誤,應加以糾正.

        關于解釋“蜃景”的模型選擇,筆者在《光在非均勻介質中的傳播》[4]中已有詳細的闡述,摘要如下.

        光在非均勻介質中傳播時光路是平面曲線,即光在傳播過程中方向不會發(fā)生突變,也就沒有全反射.實際大氣情況是非常復雜的,但在特定條件下,在某一局部范圍內(nèi)大氣的密度是不均勻的,但變化是有規(guī)律的,根據(jù)不同“蜃景”分為兩種情況討論.

        圖1

        (1)如果大氣密度變小,且密度的變化可以認為是均勻的,這樣的氣層對光線的作用就相當于一個“棱鏡”,如圖1所示.光的方向雖發(fā)生了變化,但平行光仍然平行,海面上正立 “蜃景”的形成與圖1棱鏡成像類似,像的位置比物的位置高.

        (2)如果大氣密度變小,且密度的變化不均勻,變化率逐漸變大,這樣的氣層對光的作用就相當于一個“凸透鏡”,如圖2所示(不是中間厚邊緣薄的圓凸透鏡),光的方向也發(fā)生了變化,豎直方向的平行光不平行,相交了.沙漠中倒立“蜃景”的形成與圖2凸透鏡成像類似,像上下位置顛倒,但左右位置不顛倒,似乎和平面鏡成像類似,但不同于平面鏡成像 ——“像”、“物”軸對稱的特點.

        圖2

        筆者以前對沙漠中的蜃景考慮得也不全面,后面祥述.

        先把筆者在文獻[4]中做的模擬實驗,探究得到的意外結果,整理如下.

        用鐵架臺搭成65cm×30cm×14cm的架子,上面放用鐵皮做成的60cm×28cm×2cm的容器,里面放滿建黃沙,在容器下面放14只酒精燈,沙面上方依次放10支溫度計,溫度計離沙面的距離及測得的幾組溫度數(shù)據(jù)如表1.

        沙里用金屬溫度計,沙面上方一般用液泡溫度計,液泡的差別是比較大的,距離指的是液泡到沙面的距離,根據(jù)數(shù)據(jù)去除偶然因素(溫度計不能及時測出所在位置的溫度等)可以得到結論即加熱以后沙面上方的溫度逐漸變低,沙子的溫度越高,沙面上方同一時刻相同距離的溫差越大且不相等.

        加熱前讓一束用“HJ-1型”氦氖激光器產(chǎn)生的穩(wěn)定激光,從沙面上方8mm左右的地方平行通過,空氣中看到的激光路徑只有1mm左右,在距離實驗裝置2.8m的屏上可以得到一個中間直徑9mm左右的圓形明亮光斑.

        加熱之初,發(fā)現(xiàn)屏上的光斑逐漸上移,形狀并沒有明顯的變化,即激光通過沙面上方的空氣后光線發(fā)生了偏折,沙面上方空氣與倒放棱鏡的光學效果是一樣的.

        表1 溫度計離沙面距離及測得的溫度

        還有一個筆者事先沒有想到會出現(xiàn)的重要的現(xiàn)象:隨著溫度的升高,圓形光斑在上移的過程中,逐漸變成豎直方向越來越扁的水平方向不變的橢圓,然后變成一條亮線,再變成橢圓,最后又變成圓形(圖3).此時的圓形光斑與之前的圓形光斑不同,上面的光與下面的光位置顛倒了.因為用遮光物擋住激光源的上方,而在光斑上發(fā)現(xiàn)遮住的是下方,而遮住激光源左方就遮住光斑上的左方.

        圖3

        當初筆者也沒有意識到這個現(xiàn)象的實質,因為在另外的方案中可以直接觀察到倒立的像,最后在整理的過程中恍然大悟:加熱過程中,整個光斑的上移及同時的變形,正是沙面上方的空氣由頂角小的“棱鏡”變成頂角大的“棱鏡”,后變成焦距大的“透鏡”,再變成焦距小的“透鏡”的過程.此實驗明確驗證了:在特定的條件下,密度不均勻的空氣,可以產(chǎn)生“棱鏡”、“透鏡”的光學效果.由此可見“棱鏡”、“凸透鏡”模型是正確的.

        最后筆者要說明的是“馬路蜃景”同“海市蜃樓”的產(chǎn)生原因是不一樣的.魯科版選修3-4認為“馬路蜃景”也同沙漠里蜃景的原理一樣.而筆者認為沙漠里有的情況下出現(xiàn)的蜃景和馬路蜃景的原理一樣,比如說沙漠里的“湖泊”蜃景.

        只要留心觀察,不管是炎熱的夏天還是寒冷的冬天,在馬路上適當?shù)牡攸c,都可以看到所謂的“馬路蜃景”;馬路蜃景不同于我們說的“海市蜃樓”.“馬路蜃景”的產(chǎn)生,是光線在兩種物質(一種透明、一種不透明)的界面處,不透明介質對光線的反射與吸收是與光線的入射角有關的,入射角越大吸收的光線越少反射的光線越多.如果反射面較平整的話,在適當?shù)慕嵌瓤吹降姆瓷涿婢拖耒R面一樣,也就會看到所謂的“馬路蜃景”,其實就像鏡面成像.其道理與上課時,有的位置比較偏的學生看到黑板“反光或冒亮”是一樣的.

        但夏天馬路溫度比較高時看到的“馬路蜃景”,是馬路上有的地方像水淋過還有波光粼粼的感覺,而冬天很難看到.此原因是夏天路面溫度與空氣溫度差較大,路面附近空氣有不同的溫度梯度,空氣密度不均勻且也不穩(wěn)定,光線傳播時光路也不穩(wěn)定;所以說沙漠里有時出現(xiàn)的“湖泊蜃景”與此類似.“馬路蜃景”筆者經(jīng)常見到.由于筆者沒有見過“沙漠蜃景”,就所見到“沙漠蜃景”的描述而言,沙漠里出現(xiàn)的另外的一些蜃景,才是真正的“海市蜃樓”,亦可能是“馬路蜃景”與“海市蜃樓”同時出現(xiàn).

        1 中學物理教材編寫組.物理(選修2-3和3-4).濟南:山東科學技術出版社,2006

        2 物理教材編寫組.物理(選修3-4).南京:科學技術出版社,2010

        3 物理教材編寫組.物理(選修2-3).廣州:廣東教育出版社,2007

        4 方錦飛.光在非均勻介質中的傳播.物理教學探討,2005(6)

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