海市蜃楼是大自然在玩光线的魔法,究其成因,它是由光的折射产生的一种现象,是光在密度分布不均匀的空气中传播时产生的全反射现象。
如图4所示,如果光线微微倾斜地从玻璃射进空气,一部分的光线会被反射回去,另一部分就会被折射。由于玻璃的折射率较空气大,所以折射角总是大于入射角。当入射角越来越大,被折射的光线便会越来贴近空气与玻璃的界面,直至入射角大于临界角时,光线便只会被反射,而不会折射出去,因而发生全反射。
由于不同温度的空气有不同的折射率,就好像是许多不同的介质层,每一层的折射率都不同。夏天,在气压恒定的海平面上,海面上空气温度比空中低,空气的分布呈下密而上疏,越接近海平面,空气的折射率越大。空气密度随高度增加而减少,对光的折射率也随之减少,从而形成一个具有折射率梯度的空气层,当光线通过此空气层时,发生偏转。
可见,当i、n为定值时,由于n>n2,所以r>i,光就像在不断地从光密介质射入光疏介质,这样它将越来越偏离法线,从下层空气进入上层空气的入射角因此不断增大,当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时,就会发生全反射现象,光线又回到远处的水平面附近,如图5所示。当人眼在A处逆着光线Ab′观察,就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Ba′观察,可以看到经折射形成的正立的虚像。观察到的景物是正立的还是倒立的,只不过是观察的位置不同:人在较高处,逆着弯曲的折射光线看去,可看到经折射形成的悬在空中的正立的虚像;人在较低处,逆着弯曲的反射光线看去,可看到经全反射形成的悬在空中的倒立的虚像。
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