通识物理：光的折射定律揭示！

光在传播过程中如果遇到两种媒介的界面，光波将会发生反射现象，如果媒介是透明的，光波还可能穿过界面进入到另一种媒介，并且光路发生一定的偏折，也就是“光的折射”现象。从基本原理看，光的折射现象是由于光在不同媒介中的传播速度不同而引起的。一般来讲：光速较快的媒介，比如真空和空气，叫作“光疏媒介”；相反，光速较慢的媒介，比如水和玻璃，则叫作“光密媒介”。根据光的“折射定律（又叫斯涅耳定律）”：光斜射入界面时，光在媒介中的速度与光-法线间的夹角成正比。当光从光疏媒介（比如空气）中斜向入射光密媒介（比如玻璃）时，就会发生光路入射角大于出射角的现象，也就是光路的偏折。

光的折射现象在我们的日常生活中十分常见，比如：我们把一根筷子插入水中，会发现筷子在水下的部分发生了弯曲（会向上翘起），但提起来又会发现筷子其实还是直的。除了水，玻璃中也可以看到光的折射现象，比如：我们把一块厚玻璃放在直钢尺上，由于光的折射，尺子就会看起来像是“折断”了一般。折射现象常常带给人们视觉误差，比如：有经验的猎人在河里捕鱼时，会将标枪对准鱼儿的下方。这和“水中的筷子变弯”是同样的道理，水中鱼儿发出的光由于折射其影像会看起来向上翘起，所以如果用标枪直接对准鱼儿，就只能刺中鱼儿的折射虚像。另外，我们有时会觉得湖水很浅，但跳到湖水里时才发现原来湖水很深，显然这也是由于光的折射现象欺骗了我们。正如前面我们把筷子插入水中所看到的那样，筷子的水下部分会因为光的折射而向上翘起；同理，湖底的景象由于光的折射作用也会向上“翘起”，使湖水看起来似乎较浅，因而容易造成溺水事故。

有时，在我们的自然环境中，比如平静的水面、平原或沙漠等地方，偶尔会在空中出现船只、建筑、树木等地面景象，这便是“海市蜃楼”的现象。其实，中国古代就有很多有关海市蜃楼的记载，比如《晋书·天文志》就曾写道：“凡海旁蜄气象楼台，广野气成宫阙，北夷之气如牛羊群畜穹庐，南夷之气类舟船幡旗。”宋朝的苏轼在《登州海市》中说：“东方云海空复空，群山出没月明中，荡摇浮进生万象，岂有贝阙藏珠宫。”显然，这些古诗句都是对海市蜃楼的如实描写，虽然有很多记载，但当时并没人了解其成因和机理。

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图11.7　海面和地面上的海市蜃楼

其实，海市蜃楼是一种特殊的几何光学现象，与水中看到的鱼儿其实并不在我们所看到的位置上一样，海市蜃楼中出现的“物体”实际上是真实物体发出的光经过折射后所形成的虚像。如图11.7 所示，在大气中，空气的密度会随着海拔高度增高而变小，当光在通过密度不同的空气层时，就会发生路径偏折，并向下折向密度较大的空气层，看起来似乎是按照地球的曲率在传播。这时在海边的人就能看到远处海平线以下的船只、建筑等影像。不过，由于折射总是发生在流动的大气中，所以图像通常会有些扭曲，这些图像可能被放大或者倒立，而且可能离地平线有相当的距离，以至于看起来好像在天上一样。这些图像还可能跳跃、闪烁、移动，这可能源自空气的温度和密度在发生变化。在炎热的夏天，最常见的海市蜃楼现象就是在远处的路上出现一片绿油油的区域，好像一片草坪，但人走近却发现路面上什么都没有。产生这个现象的原因是：同样如图11.7 所示，在夏日阳光的强辐照下，滚烫的路面会使得靠近路面的空气层变热，所以地面附近空气密度较小，这时从上方树木入射到地面的光线会发生偏折，并偏向上方密度较大的空气层，所以这时光线看起来好像向上弯曲了一样（与海面上的情况刚好相反）。这些光线的偏折程度有时会很大，以至于不能到达地面，而是直接“拐弯”进入在地面上行走的人眼中。所以，在这些人看来，路面上就有一片像草坪一样的绿油油的区域，其实那只是树木的虚像。