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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。

光的折射

为了理解这个现象，我们首先来解释一下光的折射。
我们初中就学过：光在不同界面间传播的时候，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。入射光线和法线的夹角称为入射角，折射光线与法线的夹角称为折射角。
人们发现：当光线在空气和水的界面中进行折射时，空气中的入射角总是比较大，水中的折射角总是比较小。
后来人们发现：出现折射现象的原因是光在两种介质中传播的速度不同。如果光在某种介质A中传播速度比其他介质B快，那么介质A对介质B就叫光疏介质，介质B对介质A就叫光密介质。比如，光在空气中的传播速度接近于真空中的速度，比水中光速要快，因此空气相对于水就是光疏介质，水相对于空气就是光密介质。折射时，光疏介质中的入射角大，光密介质中的折射角小。
荷兰物理学家惠更斯研究了光发生折射的原因。他借用机械波的观点解释了光折射的原因。
如图，一束平行光照射到两种介质的界面时，各条光线并不是同时到达界面的。下方的光线先到界面A点，上方光线此时只到达了B。随后，A就会在第二种介质中传播，而光线B继续在第一种介质中传播。由于在第二种介质中光的传播速度比较慢，当B光线传播到界面上的B0点时，光线A传播到A’点，并且AA’<BB0,这就造成了光线的偏折。宛如一辆汽车本来在柏油马路上走，右前轮突然进入了沙土地面，此时汽车的运动方向就会发生偏折一样。
全反射
如果光线从水中射入空气中，情况又是如何呢？此时，水中的角度就是入射角，空气中的角度就是折射角，但是空气中的角度还是大于水中的角度。如果增大水中的入射角，那么空气中的角度会变得更大。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，所有只有反射光线，这种现象就称为全反射。
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。
海市蜃楼
现在我们就可以解释海市蜃楼了。
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，人们就可以看到有些东西浮在海平面上。这个实际上是一种光的折射现象。海市蜃楼在海洋和沙漠中都可以出现。
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。在夏天强烈的太阳照射下，靠近海水的地方，空气温度比较低，密度较大，属于光密介质。高层空气温度较高，空气受热膨胀，密度较小，是光疏介质。光线从光密介质射向光疏介质，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射折射，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，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，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，折射角变大。当折射角增大到一定程度，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。
李永乐
李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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