不知道大家在炎热的夏天，有没有看到过这样的一个现象：在不远的前方，路面上好像有一滩水，还映出了前车的倒影。但我们走过去一看，路面上其实根本就没有水。
你并没有出现幻觉，这是一种光的折射和全反射现象，通常称作海市蜃楼。
01
斯涅尔定律
我们之前说过，光在不同介质间传播的时候，传播方向一般会发生变化。比如一束光从空气斜射入水中，会向下偏折。出现折射的原因是因为光在不同介质中的传播速度不同。人们用折射率n表示光在不同介质中传播速度的不同，折射率n等于真空中光速c与介质中光速v的比：
，也就是说：介质的折射率n越大，光在介质中传播的速度v越小。
显然，真空中光速v=c，折射率n=1；空气中光速接近于真空中光速，因此
；其他介质中光速都小于真空中光速，折射率n>1。
介质
折射率
空气
1.0003
冰
1.309
水（20℃）
1.333
普通酒精
1.360
面粉
1.434
玻璃
1.500
翡翠
1.570
红宝石
1.770
水晶
2.000
钻石
2.471
折射率主要由介质材料决定，但是与光的波长也有一定关系，这就是色散现象。上表中的折射率指的是这种材料对光的平均折射率。
光线在折射率不同的两种材料中传播时，角度的关系满足斯涅尔定律，用荷兰物理学家威理博·斯涅尔的名字命名。
其中n是折射率，
是介质中光线与法线的夹角，
是正弦函数，它在0-90度的区间内是一个增函数，也就是说，角度
越大，sin
也会越大。通过这个公式我们就会发现：如果材料的折射率n比较大，那么介质中的角度
就小，这种介质就称为“光密介质”；如果材料的折射率n比较小，那么介质中的角度
就大，这种介质就称为“光疏介质”。
比如，空气相对于水就是光疏介质，水相对于空气就是光密介质。光从空气射入水中，折射率变大，折射角小于入射角，因此光线向法线偏折。
02
全反射现象
如果光线从水中射入空气中，情况又是如何呢？由于水是光密介质，角度较小，空气是光疏介质，角度较大，因此光线会向水面偏折。如果增大水中光线的入射角，那么空气中的折射角也会增大，在某个时刻，空气中的折射角达到90度，此时就称为“掠出射”。如果继续增大入射角，那么折射光线无论折射向哪里都不合理了。此时会出现一种奇特的现象：折射光线消失，只剩下反射光线，这种现象就称为“全反射”。
光线以不同角度射出水面
全反射在生活中有很多应用，比如光导纤维就是利用光线在内芯和外套之间反复全反射传播信号的。
03
海市蜃楼
现在我们就可以解释“海市蜃楼”了。先说说什么叫“蜃”呢？
龙生九子，九子各不相同，其中有一个儿子就叫蜃，蜃喜欢吞云吐雾，它在海上把东西都吞到肚子里去，一会儿又吐出来，这时，人们就可以看到有些东西浮在海平面上。这只是一种神话传说，“海市蜃楼”实际上是一种光的折射现象，在海洋和沙漠中都可能出现。
在海洋上，海水比热容更大，也就是说，在接受太阳照射时，海水不容易升温。在强烈的太阳照射下，靠近海水的地方，空气温度比较低，密度较大，折射率较大，属于光密介质。高层空气温度较高，空气受热膨胀，密度较小，折射率较小，是光疏介质。光线从光密介质射向光疏介质，就像从水中射向空气一样，折射角变大，光线会趋于水平。假如海面上有一艘船，这艘船反射出的光线向上射，就会在各个不同的空气层之间发生折射，发生弯折。
如果在还没有发生全反射时，光线就进入了人眼。那么人眼就会以为物体在远方的高处，形成正立的蜃景。如果光线在传播过程中发生了全反射，人们逆着光线看去，就会看到倒立的蜃景。
沙漠中的海市蜃楼成因刚好与海洋上相反。沙子的比热容很小，所以靠近沙漠的地方空气温度比较高。空气受热膨胀，密度较小，折射率较小，是光疏介质。上层的空气距离沙子较远，温度相对较低，空气密度相对较大，折射率较大，也就形成了光密介质。光线从上向下照射时，从光密介质进入光疏介质，相当于从水射向空气，折射角变大，光线偏向水平。当折射角增大到一定程度时，就会发生全反射而向上照射。
比如有一朵云彩飘在空中，它反射的光线经过折射和全反射被地面上的人观察到。大脑会认为光线依然是直线传播的，因此认为云彩在地下。云彩不会在地下，所以人们会认为地面上有一个可以反射光线的物质，那就是水，这就是沙漠中海市蜃楼的原理。由于沙漠中沙子的温度非常高，形成蜃景的光线在靠近沙子时一定会发生全反射，所以在沙漠中的海市蜃楼都是倒像。
炎热夏天的马路温度也非常高，形成的效果与沙漠相同。所以在靠近地面的位置，光线很容易发生全反射，映出车辆的倒影，就会让人们误以为地面上有水。下次再遇到这种现象，别再被你的眼睛欺骗了哦。
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