光在不均勻介質(zhì)中傳播時發(fā)生彎曲的實驗

賈振明

1器材

長條型透明水槽(長度大于20cm，越長效果越好，深度8-40cm適當深，側(cè)面必須平直，透光較好)，水，食鹽，氦氖激光器或玩具激光槍光源，長直尺(大于水槽長)。

2實驗方法及原理

把水槽放在水平桌面上，先放人一定深度(1／2～2／3)的濃度較大的食鹽水。平靜后沿四周器壁輕輕的流入另一種液體一水(或在鹽水表面鋪一層布，拉直使布剛接液面，再放一塑料片，讓水流到塑料片上，并逐漸升高布)緩慢升高至滿。起初，上下兩種液體有較好的分界面，都能較好的透射光，其折射率n₁，n₂差別較大。此時打開激光光源。讓一束激光掠射入液體中(入射角大于80度)，可明顯看到光路，由于散射在鹽水中粗亮，在水中較暗。有較明顯的分界點。這時應該看到光在兩種液體分界面處發(fā)生的折射。但偏角不大，可用長直尺靠在水槽側(cè)面，轉(zhuǎn)動使其與入射光重合并固定，再看折射光即發(fā)現(xiàn)偏離了大約4％即約2.3度。隨著兩種液體擴散，之間界面變得模糊，形成擴散層。這層液體中不同深度處密度不同，其折射率隨深度增加而變化形成一種分層分布。此時再看激光束傳播的路徑，亮度逐漸變化，中間過渡區(qū)即為擴散層，光線在不同的分層間發(fā)生折射甚至全反射而彎曲，從光線偏離直尺的情景中看出。

3對實驗裝置的思考

①選用兩種液體折射率相差越大，光入射角越接近90度，偏向角越大，效果越明顯；②過程溫度越低，擴散越慢，可觀察的時間越長，室溫下一般能延續(xù)1.5h；③由于過程時間長，偏向角不大，放在課外進行實驗較好。

4分析和引申

4.1模擬大氣中的光現(xiàn)象——蒙氣差

取一小地球儀，讓激光束射出水槽即掠射在表面上，過該點作出入射光線的反向延長線，若該處站立一人，光射人人眼，人眼認為光從其反向延長線上的點射來。此時激光源類比天上星體的實際位置，發(fā)出射光的反向延長線上的點類比人眼看到星體的位置，這個位置比實際位置高。

解釋：兩種不同折射率的液體在分界面處由于擴散形成的擴散層，其折射率隨深度的增加而變化形成一種分層分布，正好類比地球上空不同高度處大氣密度不同，折射率隨高度升高而減小，其余與課本相同。

4，2模擬海市蜃樓

用一大半徑的圓紙板代表地球放在水槽前。人在前邊看使光源點和激光射出水槽點位于地球上，但可者到光路，此時光源類比地球上某一實際物體，另一點類比人，過該點作出射光的反向延長線。激光進入人眼。人眼認為是從反向延長線上的某點射來，這點即為人眼看到的蜃景。解釋類同。

4，3實體觀察鷹景

取一玩具放在長條形水槽沿長邊一旁中間適當遠處，調(diào)整位置使其與原兩液體分界面等高處，并用強光源照亮，在水槽另一邊人眼上下調(diào)整方位透過液體觀察玩具的像，在不同方位可幾次看到，各位置看到像的大小不同。正是玩具反射的光經(jīng)槽內(nèi)不均勻介質(zhì)連續(xù)折射甚至全反射后進人人眼的光線形成的像，像與物在不同位置處比例不同，看到的是一個怪物，甚至倒立。正立和倒立兩種情景正好類似海面上的蜃景和沙漠上的蜃景。