公路上的汽車倒影

開過汽車的人差不多都有這樣的經(jīng)歷：炎熱的夏天，遠處的馬路上似乎有“水”，而且還有汽車的倒影（如圖1）.隨著距離越來越近，這些“水”跡就越來越少了（如圖2）.到了跟前，這些“水”的痕跡就消失了（如圖3）.

為什么會出現(xiàn)這樣的幻象呢？我們先了解發(fā)生上述現(xiàn)象的相關(guān)光學(xué)基礎(chǔ)知識.

我們通常把光速較快的介質(zhì)叫光疏介質(zhì)，把光速較慢的介質(zhì)叫光密介質(zhì).光線從光疏介質(zhì)（如空氣）斜進入光密介質(zhì)（如水）時，入射角大于折射角，光線折向法線.當(dāng)光線從光密介質(zhì)（如水）斜進入光疏介質(zhì)（如空氣）時，如圖4所示，入射角小于折射角，光線偏離法線.顯然，在此情形下必然存在一小于90°的入射角θ，在這入射角下，折射角等于90°，折射光線掠過分界面，如圖5所示.當(dāng)折射角大于θ時，折射光線就不存在了，入射光線全部被反射，這種現(xiàn)象叫做全反射，如圖6所示，其中θ角為臨界角.顯然產(chǎn)生全反射的條件是：①光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；②入射角必須大于或等于臨界角.

我們來做一個有趣的實驗.用一個玻璃平底盆，先向里面倒入一部分水，然后加入酒精.此時兩種液體之間有一個非常明顯的分界面.因為光線在酒精中的速度小于在水中的速度（此時的酒精稱之為光密介質(zhì)，水稱之為光疏介質(zhì)），如此時一束光線從上而下經(jīng)酒精到達水里面，在分界面會發(fā)生折射.折射光線偏離法線.長時間保持玻璃盆不動，兩種液體互相浸潤，分界面處變成一個廣延的過渡區(qū)，其中包含很多相繼而連續(xù)的液層，每層都是酒精在上面、水在下面的混合層.最上層為純酒精，最下層為純水.當(dāng)一束光線通過酒精和水的混合區(qū)時，光線由上層到下層時會有逐漸彎曲的路徑.如果入射線的傾角變得相當(dāng)小時，光線竟能具有相當(dāng)?shù)那榷蛏险凵洌鐖D7所示.這是因為光線每經(jīng)過酒精和水的混合層時，就是從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)的過程，就要發(fā)生一次光線偏離法線的折射，每一次的入射角都會比上一次的入射角大，如圖8所示.當(dāng)入射角增到一定值時，就會發(fā)生全反射.光線的方向就變成自下而上，每經(jīng)過一混合層，就是從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)的過程，就要發(fā)生一次光線折向法線的折射，如圖9所示.

公路上的汽車倒影，就是太陽光在大氣中因發(fā)生折射和全反射而產(chǎn)生的一種光學(xué)現(xiàn)象.夏天的烈日，將柏油路面曬得很熱，靠近路面的空氣吸收地面的熱量溫度升高，體積膨脹，密度減小，并不斷上升，而較高處的空氣，溫度相對較低，密度也較大，這樣形成由下向上的密度不斷增加的一層層空氣層.光在空氣中傳播速度，與空氣的密度有關(guān)，在密度小的空氣中傳播得快，在密度大的空氣中傳播得慢，由此發(fā)生光的折射現(xiàn)象（此時相繼連續(xù)的空氣層和上面實驗的酒精和水的混合液層對于光的折射性質(zhì)完全一樣）.如圖10所示，從汽車的O點發(fā)出的光線1在基本同密度的空氣中直線傳播到觀察者眼睛，而光線2斜向下射出，在不同密度的空氣層中不斷折射.接近地面時，由于是從光密質(zhì)傳向光疏質(zhì)，到某一臨界角會發(fā)生全反射，光線改為向上傳播，再經(jīng)過層層折射，最后射到觀察者眼中.人眼按光的直線傳播經(jīng)驗，感覺到光線2是從汽車下面的O′點發(fā)出來的.從車上的每一點射到觀察者眼睛的光線都以這兩種方式傳播，于是觀察者就看到了汽車的一個反射像，亦即車下的倒影.即使沒有汽車，折射光線也會把天空或是路邊的建筑物、樹木等倒映下來，就像湖面下的倒影一樣，人的大腦由此推斷路面一定是濕的.

所謂“海市蜃樓”的成因也與此類似，即光線在不同密度的空氣層中折射，將遠處的景象傳播到觀察者的眼睛中來.現(xiàn)在人們可以在小范圍內(nèi)制造出人工海市蜃樓，除了供人們欣賞娛樂外，這種奇妙的現(xiàn)象又有了新的用途.美國的軍事科學(xué)家將它應(yīng)用于軍事方面的研究，在小范圍內(nèi)用海市蜃樓現(xiàn)象重現(xiàn)戰(zhàn)場實況.這種虛擬現(xiàn)實的技術(shù)稱為“激光沙盤”.整套模擬系統(tǒng)由四個部分組成：圖文掃描儀、激光中心電腦、激光發(fā)射器和“沙盤”.其中“沙盤”是一個1m×1m×0.5m空心玻璃箱，里面密封著一種惰性氣體，箱中的電腦與氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及空氣懸浮顆粒大小傳感器等來連接.這種技術(shù)的優(yōu)點是能真實把戰(zhàn)場、戰(zhàn)局呈現(xiàn)出來，精度較高，而且還能動態(tài)顯示，讓戰(zhàn)況一目了然.但也存在穩(wěn)定性較低，調(diào)整情況總是滯后于實際要求等不足.但可以相信，“激光沙盤”會在不久的將來進一步完善，發(fā)揮出更大的作用.