幻影原理(幻影折射原理)
人们常常把那些虚幻的东西叫做海市蜃楼,或者把一些不切实际的东西叫做空中的城堡。本来空中的海市蜃楼和城堡都是自然现象,都是虚幻的,都是客观事物的实际反映。
在风平浪静的大海、大河、湖泊、雪原、沙漠或戈壁,偶尔会出现空或“地下”的高塔、城墙、树木的海市蜃楼,称为海市蜃楼。中国山东蓬莱海面经常出现这种幻觉。古人将其归因于蛟龙幻化,呼出而成塔壁,故名。
海市蜃楼不仅可以在大海和沙漠中看到,在柏油路上也偶尔可以看到。海市蜃楼是光线在不同密度的垂直气体层中折射的结果。海市蜃楼有很多种,按其相对于原作的位置可分为上海市蜃楼、下海市蜃楼和侧海市蜃楼。根据它与原作的对称关系,可分为正颌、侧颌、正颌、逆颌三种。根据颜色,它可以分为彩色海市蜃楼和非彩色海市蜃楼,等等。
海市蜃楼有两个特点:一是在同一个地方反复出现,比如在美国阿拉斯加空经常出现;二是同时出现。比如中国蓬莱的海市蜃楼大多出现在每年的五六月份,俄罗斯奇姆伦斯克附近的海市蜃楼经常出现在春季,而美国阿拉斯加的海市蜃楼一般出现在6月20日后的20天内。
我国宋代著名科学家沈括在《论孟茜》一书中,对山东蓬莱的海市蜃楼作了生动的描述,说在海云中,可以清晰地看到宫殿、城墙、车马等人物。
1934年8月2日,江苏南通附近长江上出现海市蜃楼空。在那凉爽的一天,当空,天气异常闷热,河边的居民都去河边避暑了。突然,到了下午,阴云密布,只见长江中奇景,二十余里,塔、塔、墙、树、屋,清晰可辨。半小时后,只见仙境东移。当这个海市蜃楼消失后,河上出现了三座巍峨的山峰。中间的一个形状像一个巨大的香炉。
1957年,广东附近海面出现6小时海市蜃楼。20世纪30年代,有一个引起世界轰动的“荷兰飞船”的有趣故事。当时,一艘船在大西洋上撞上了一艘旧帆船,它正向我们驶来。眼看它越来越近,船长立即命令水手们改变航向。当帆船从船边经过时,船上数百名乘客才意识到这是一艘荷兰古帆船,船上站着的人都穿着古代服饰。原来这也是海市蜃楼跟人开的玩笑。
那么,为什么会有海市蜃楼呢?要回答这个问题,首先要说光的折射。当光在密度相同的均匀介质中传播时,光速是恒定的,它沿直线传播。但是,当光斜入另一种密度不同的介质时,光速会发生变化,传播方向也会是曲折的。这种现象叫做折射。
当你把一根直杆斜插入水中时,可以看到杆的水下部分和露出的部分似乎都断了,这是光的折射造成的。曾经有人用一个装置把光从水中投射到水和空气体的界面上,你可以看到光在这个界面上分成两部分:一部分反射到水中,另一部分折射到空气体中。如果旋转水中的镜子,使打在界面上的光更加倾斜,那么光在空气体中的折射就会更加剧烈。当所有光线都反射到水中时,没有光线折射到空气体中。这种现象被称为全反射。
海市蜃楼经常出现在海洋、五大湖、大河和沙漠上。它是一种光学现象,是光在不同密度的空气中折射和全反射的结果。夏季,在平静的水面上,上层空气体被太阳加热,密度较低。靠近水面的空气体受水流影响,温度低,密度大。当空气体上下两层温差较大,密度有疏有密时,地平线以下的周围岛屿、城镇、船只等景物反射的光,通过上下折射和全反射,可以出现直立的影像。在陆地上,尤其是沙漠中,由于白天烈日的照射,地面受热强烈,靠近地面的空气体升温快,密度低;相反,上层的空气体升温慢,密度大。当上下空气体密度相差较大时,就会出现倒影。当两层密度不同的空气体平行时,也可以出现海市蜃楼。当许多密度不同的气体层稳定而缓慢地移动时,就会出现各种各样的海市蜃楼。
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