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“带孔缓冲板2”上小孔位置刚好错开；在底板和缓冲板间嵌入厚度约为?4mm“垫块2”4~6个，其目的是在缓冲板3和底板4之间创设一个缓冲区.

4 改进后实验方案的优点和实验效果

改进后，实验溶液配制方案一：首先，如同改进前配液方案一样，先配制好近饱和状态盐水溶液，然后，将图2所示“注液浮槽”轻轻放置于食盐溶液上，待其稳定后，便可向“带孔缓冲板2”上以适当速度加注清水，清水会从缓冲隔板小孔均匀滴注至隔板与底板之间的缓冲区，由于浮力所受浮力的作用，缓冲区中清水会慢慢、

清水 入射线 盐水 图6

均匀地从底板小孔渗入盐水中，直到水槽中清水至所需

量为止.此时，清水和食盐水界面分明，常温下，大约需4~6小时以后，由于扩散，就会得到的折射率由下向上逐渐减少食盐水介质溶液，如图6所示.

溶液配制方案二：采用人工预先按计算好的浓度梯度配制3~5种不同浓度的食盐溶液，然后，按照自下而上，先后加注浓度逐渐变大的、预先配制好的食盐溶液，最上面加入清水，每层液体加注方法如同改进后方案一中加注清水的方法类似.此方案最大优点是利用人工的方法，使演示实验时间约缩短至1.5~2.5小时.

方案优点和效果：实践证明，改进后实验方案不仅解决了原方案中存在的三大缺点，而且还有其它改善.改进后优点可总结为：溶液配制操作方法简便、易掌控；很容易成功配制出折射率连续变化的介质，实验成功率几乎达到100%；一人便可独立、从容操作；大大缩短配置溶液所需时间，基本通达到随堂上课做演示实验需要.

5 结束语

毫无疑问，神秘莫测、奇特壮观的海市蜃楼现象非常吸引人，能作为演示实验重现于实验室之中当然是学生们的一大幸事，我们在实践中发现，原实验装置中的三大缺憾大大减弱了该实验应受到的关注程度.相信经我们改进后的实验装置，可以使海市蜃楼实验倍受青睐,希望同行共同探索研究，以求更好的改进和完善.

参考文献：

[1] 孙淑清，海市蜃楼现象及其实验演示，中学物理教学参考，2002，31（9），31-32. [2] 孙敬姝，等，普通物理实习实验，北京：科学出版社，2005. 125-127.

[3] 陈晓莉，“海市蜃楼”现象成因分析及模拟实验，教学仪器与实验，2005，20（2），20-21.

The Creative Improvement on Demonstration Experimental Apparatus of

Mirage

Hu An-zheng

(The Department of Physics and Electro-information Technology, Xiangfan University, Xiangfan 441053,China)

Abstract: The demonstration experiment of \most interesting experiments in universities and middle schools. However, in practical experiment we find there are several defects in present demonstration

experimental apparatus, including “the great difficulty in distributing salt’s solution of inhomogeneous medium, the multi- people co-operation in making up the solution, the long experimental period and the lower success ratio \

introduces our creative improvement on the existent problems, to our colleagues for reference.

Key word: Mirage; Demonstration experiment; Existent defect; Creative improvement

资金项目：襄樊学院教研项目[JY0624]

作者简介：胡安正(1965-)，男，湖北随州人，襄樊学院物理与电子信息技术系 高级实验师. 联系方式：441053 湖北省 襄樊市隆中 襄樊学院 E-mail:sporthaz@126.com 电话：13886224088

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