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摘要-海市蜃楼演示实验装置的创新改造 海市蜃楼演示实验装置的创新改造 胡安正 (襄樊学院 物理与电子信息技术系,湖北 襄樊 ,441053) 摘要：模拟“海市蜃楼”现象演示实验是大中学学生特别感兴趣的实验之一.然而实践中发现，现有演示实验装置至少存在“非均匀介质溶液配置难度大、配液必须多人操作、实验周期太长且成功率不高”等几大缺憾.本文介绍了我们针对存在问题进行创新改造的做法，以供同行探讨. 关键词：海市蜃楼；演示实验；存在缺点；创新改造 中图分类号： 文献标识码：C 1 海市蜃楼现象及成因 在平静无风的海面、湖面、沙漠、戈壁滩等地方有时会在上空或地面下的方向上出现城市建筑, 亭台楼阁, 山水湖泊等变幻奇妙的、令人深感神秘的自然景观，这就是海市蜃楼现象.这种场景在未被充分认识以前的漫长岁月里，往往被人们神秘化、甚至迷信化.其实海市蜃楼现象是由光的折射或全反射造成的自然现象.出现在上空的称为上位海市，出现在地面下方向的称为下位海市[1]. 海市蜃楼的成因可以由光学理论给以圆满的解释，它是阳光在大气中折射而产生 蜃景 视窗 图片 图1海市蜃楼演示装置示意图 的一种光学现象，准确地说是光在密度分布 不均匀的媒介中传播时，产生折射或全反射而形成的正立或倒立的虚像.为把它重现于实验室之中，人们研制出多种演示海市蜃楼现象的装置，其示意图如图1所示，它通常利用人工配制的折射率连续变化的溶液作介质(如清水-盐水或酒精-清水溶液)，演示光在其中传播时，发生弯曲，从而来模拟演示海市蜃景的成因[2]. 光学原理如图2所示，折射率连续变化的传播介质--盐水溶液的密度随高度增加而减少，对光的折射率也随之减少，从而形成一具有折射率梯度的溶液层,当光线通过某层面时，将发生偏转.设一束从景物a发出的光线以入射角i，由折射率为n处射入溶液层，由折射定律得: n?sini = n1?sini1 ① n1?sini1 =n2?sinr ② 联立①、②式可得: sini?nn2?sinr 可见，当i 、n 为定值时，由于n n2 推出r i， 因此，从下层液体进入上层液体的入射角不断增大，当增大到由某两层液体的折射率决定的临界 图2光学原理示意图 角时，就会发生全反射，如图2所示.当人眼在A处逆着光线Ab′观察，可以看到经全反射形成的倒立的虚像. 2 目前演示实验装置中存在的缺点 从大多数学校和商家研制的海市蜃楼演示装置来看，蜃景成因和装置结构可用图1示意[3] .本方案中，以配置食盐溶液为例，其程序基本可总结为：先向水槽内注入深度约为拟配制总溶液一半的清水，再将适当配分的食盐（可通过食盐溶解度来计算）放入清水中，用玻 璃棒搅，使其溶解成近饱和状态，然后在其液面上放一个塑料膜或是采用白布盖住下面的盐溶液，向膜上或白布上慢慢注入满清水，稍后，将薄膜或白布轻轻从槽一侧抽出，让盐水漫漫向上渗透形成所需浓度连续变化的食盐溶液. 显然，本方案的难点，也是关键点应是如何快速、高质量配置出折射率连续变化的非均匀介质.然而，实践中发现，目前的实验装置和介质配置方案至少有如下三个明显缺陷： ⑴ 在配制非均匀食盐溶液时，通常需多个人一起操作. ⑵ 即便多人协同操作，也很难做到在加入清水和抽出薄膜或白布时，能使清水缓慢、均匀、无冲击加注到盐溶液面上，从而顺利得到所需溶液. ⑶ 最大问题是，即使在常温下，成功配置所需食盐溶液，约需要6个小时左右，这么长的实验周期显然令人难以容忍，课堂演示教学就更无法实施. 据了解使用这类装置的多所大学也有同感，很难成功配制的折射率连续变化的介质-盐水溶液，实验成功率很低. 3 创造性研制的“注液浮槽”构造和功能 实践中，经过反复研究改造和试验，我们利用“浮力和缓冲原理”研制成的“注液浮槽”巧妙地 图3注液浮槽 4 1 2 3 解决目前海市蜃楼演示装置中存在的三个致命缺点. “注液浮槽”构造如图3所示：图中，1-槽体；2-带孔缓冲板；3-垫块；4-带孔注液浮槽底板（图4所示）.图5为空心密封塑料浮子，实验制作中，当浮槽不能自由上浮时，可在浮槽两端加上适当大小的空心浮子（如图3所示）以增加浮力. 图3中，浮槽的长和宽尺寸，以刚好能放置进如图1所示海市蜃楼装置液槽中，能上下自由移动，并且与水槽间距又不大为参照标准确定；“注液浮槽”中 图4带孔注液浮槽底板 图5塑料浮子 “带孔注液浮槽底板4”（其构造如图4 所示）最好选用漂浮能力较好的木质材料制成，孔径大小适中，并且注意，其小孔位置应与