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文：张启聪
海市蜃楼是甚麼?它是如何形成的?
图一 在温度随高度变化的空气中,光线因折射而走出弯曲的路径.
图二 光线由玻璃走到空气时所产生的折射现象.注意入射角 i 比折射角 r 小.
图三 当入射角 i 大於临界角度 c 时,便产生全内反射.
图四 海市蜃楼发生时,光线所走的路径.
在沙漠中,迷路的人缺水缺粮,忽然看见了绿洲,但走近了却发现原来只是海市蜃楼的幻像,空欢喜一场.这虽然是电影常用的桥段,但海市蜃楼是真有其事的,是大自然跟我们在玩光线的魔法.它的成因是光线在空气中被折射,再加上全内反射的结果.
如果要明白海市蜃楼的成因,首先要明白为甚麼光线在空气中会被折射.原来,不同温度的空气有不同的折射率,就好像许多不同的介质一样.靠近地面的空气较热,折射率较低.我们可以把空气想像为许多层的介质,而每一层的折射率都不同,越接近地面,折射率越低.因此光线在空气中行走时,路线便如图一所示.
另一方面,我们也要知道甚麼是全内反射.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,从玻璃中走出来.由於玻璃的折射率较空气高,所以折射角总是大於入射角 (图二).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,直至入射角大於临界角度,光线便只会被反射,而不会折射出去.这个现像叫做全内反射 (图三).
图四显示海市蜃楼发生时,光线所走的路径.假设有个绿洲,它在 A 点发出的光线被空气折射,走一条弯弯的路径.在 B 点,光线发生全内发射,使光线往上走.之后,光线再次被空气折射,最后光线会进入站在 C 点那观测者的眼睛,使他形成错觉,误以为绿洲很接近他呢!很久以前,人类便发现了全内反射,更把这个现象加以应用,例如光纤、单镜反光照相机和双筒望远镜都应用了全内反射的原理