光在不均匀介质中传播时发生弯曲的实验

贾振明

1器材

长条型透明水槽(长度大于20cm，越长效果越好，深度8-40cm适当深，侧面必须平直，透光较好)，水，食盐，氦氖激光器或玩具激光枪光源，长直尺(大于水槽长)。

2实验方法及原理

把水槽放在水平桌面上，先放人一定深度(1／2～2／3)的浓度较大的食盐水。平静后沿四周器壁轻轻的流入另一种液体一水(或在盐水表面铺一层布，拉直使布刚接液面，再放一塑料片，让水流到塑料片上，并逐渐升高布)缓慢升高至满。起初，上下两种液体有较好的分界面，都能较好的透射光，其折射率n₁，n₂差别较大。此时打开激光光源。让一束激光掠射入液体中(入射角大于80度)，可明显看到光路，由于散射在盐水中粗亮，在水中较暗。有较明显的分界点。这时应该看到光在两种液体分界面处发生的折射。但偏角不大，可用长直尺靠在水槽侧面，转动使其与入射光重合并固定，再看折射光即发现偏离了大约4％即约2.3度。随着两种液体扩散，之间界面变得模糊，形成扩散层。这层液体中不同深度处密度不同，其折射率随深度增加而变化形成一种分层分布。此时再看激光束传播的路径，亮度逐渐变化，中间过渡区即为扩散层，光线在不同的分层间发生折射甚至全反射而弯曲，从光线偏离直尺的情景中看出。

3对实验装置的思考

①选用两种液体折射率相差越大，光入射角越接近90度，偏向角越大，效果越明显；②过程温度越低，扩散越慢，可观察的时间越长，室温下一般能延续1.5h；③由于过程时间长，偏向角不大，放在课外进行实验较好。

4分析和引申

4.1模拟大气中的光现象——蒙气差

取一小地球仪，让激光束射出水槽即掠射在表面上，过该点作出入射光线的反向延长线，若该处站立一人，光射人人眼，人眼认为光从其反向延长线上的点射来。此时激光源类比天上星体的实际位置，发出射光的反向延长线上的点类比人眼看到星体的位置，这个位置比实际位置高。

解释：两种不同折射率的液体在分界面处由于扩散形成的扩散层，其折射率随深度的增加而变化形成一种分层分布，正好类比地球上空不同高度处大气密度不同，折射率随高度升高而减小，其余与课本相同。

4，2模拟海市蜃楼

用一大半径的圆纸板代表地球放在水槽前。人在前边看使光源点和激光射出水槽点位于地球上，但可者到光路，此时光源类比地球上某一实际物体，另一点类比人，过该点作出射光的反向延长线。激光进入人眼。人眼认为是从反向延长线上的某点射来，这点即为人眼看到的蜃景。解释类同。

4，3实体观察鹰景

取一玩具放在长条形水槽沿长边一旁中间适当远处，调整位置使其与原两液体分界面等高处，并用强光源照亮，在水槽另一边人眼上下调整方位透过液体观察玩具的像，在不同方位可几次看到，各位置看到像的大小不同。正是玩具反射的光经槽内不均匀介质连续折射甚至全反射后进人人眼的光线形成的像，像与物在不同位置处比例不同，看到的是一个怪物，甚至倒立。正立和倒立两种情景正好类似海面上的蜃景和沙漠上的蜃景。