公路上的汽車倒影

開過汽車的人差不多都有這樣的經歷：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）.

為什么會出現這樣的幻象呢？我們先了解發生上述現象的相關光學基礎知識.

我們通常把光速較快的介質叫光疏介質，把光速較慢的介質叫光密介質.光線從光疏介質（如空氣）斜進入光密介質（如水）時，入射角大于折射角，光線折向法線.當光線從光密介質（如水）斜進入光疏介質（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，這種現象叫做全反射，如圖6所示，其中θ角為臨界角.顯然產生全反射的條件是：①光必須由光密介質射向光疏介質；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，水稱之為光疏介質），如此時一束光線從上而下經酒精到達水里面，在分界面會發生折射.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，其中包含很多相繼而連續的液層，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.當一束光線通過酒精和水的混合區時，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小時，光線竟能具有相當的曲度而向上折射，如圖7所示.這是因為光線每經過酒精和水的混合層時，就是從光密介質到光疏介質的過程，就要發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.當入射角增到一定值時，就會發生全反射.光線的方向就變成自下而上，每經過一混合層，就是從光疏介質到光密介質的過程，就要發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生折射和全反射而產生的一種光學現象.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，在密度小的空氣中傳播得快，在密度大的空氣中傳播得慢，由此發生光的折射現象（此時相繼連續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完全一樣）.如圖10所示，從汽車的O點發出的光線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，由于是從光密質傳向光疏質，到某一臨界角會發生全反射，光線改為向上傳播，再經過層層折射，最后射到觀察者眼中.人眼按光的直線傳播經驗，感覺到光線2是從汽車下面的O′點發出來的.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.現在人們可以在小范圍內制造出人工海市蜃樓，除了供人們欣賞娛樂外，這種奇妙的現象又有了新的用途.美國的軍事科學家將它應用于軍事方面的研究，在小范圍內用海市蜃樓現象重現戰場實況.這種虛擬現實的技術稱為“激光沙盤”.整套模擬系統由四個部分組成：圖文掃描儀、激光中心電腦、激光發射器和“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.這種技術的優點是能真實把戰場、戰局呈現出來，精度較高，而且還能動態顯示，讓戰況一目了然.但也存在穩定性較低，調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，發揮出更大的作用.