炎熱的夏天為什麼總覺得馬路上有水？海市蜃樓的原理——《跟著網紅老師玩科學》
不知道大家在炎熱的夏天，有沒有看過這樣一個現象：
在不遠的前方，路面上好像有一灘水，還映出了前車的倒影，但我們走近一看，其實路面上根本沒有水。
你並沒有出現幻覺，這是一種光的折射和全反射現象，通常稱為「海市蜃樓」。
馬路上似乎有著前方車子的水中倒影。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
原來，這是因為光線會轉彎
我們說過， 光在不同介質間傳播的時候，方向通常會發生變化 。例如一束光從空氣斜射進入水中，會向下偏折。出現折射的原因是因為光在不同介質中的傳播速度不同。人們用折射率 n 表示光在不同介質中傳播速度的不同，折射率 n 等於真空中光速 c 與介質中光速 v 的比： n = cv ，也就是說，介質的折射率 n 愈大，光在介質中傳播的速度 v 愈小。
顯然，真空中光速 v = c ，折射率 n = 1。空氣中光速接近於真空中光速，因此，其他介質中光速都小於真空中光速，折射率 n>1 。
| 介質 | 折射率 |
|---|---|
| 空氣 | 1 . 0003 |
| 冰 | 1 . 309 |
| 水（20℃） | 1 . 333 |
| 普通酒精 | 1 . 360 |
| 麵粉 | 1 . 434 |
| 玻璃 | 1 . 500 |
| 翡翠 | 1 . 570 |
| 紅寶石 | 1 . 770 |
| 水晶 | 2 . 000 |
| 鑽石 | 2 . 471 |
折射率主要由介質材料所決定，但是與光的波長也有一定關係，這就是上述的 色散現象 ，上表中的折射率指的是這種材料對光的平均折射率。
光線在折射率不同的兩種材料中傳播時，角度的關係滿足司乃爾定律，用荷蘭物理學家威理博．司乃爾的名字命名。
在司乃爾定律裡，當光由介質1傳播到介質2，兩種介質的折射率n及與法線的夾角θ關係為：n1sinθ1=n2sinθ2。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
其中 n 是折射率， θ 是介質中光線與法線的夾角， sinθ 是正弦函數，在 0 ～ 90° 的區間內是一個遞增函數，也就是說，角度 θ 愈大， sinθ 也會愈大。透過這個公式我們就會發現，如果材料的折射率 n 比較大，介質中的角度 θ 就小，這種介質就稱為「光密介質」；如果材料的折射率 n 比較小，介質中的角度 θ 就大，這種介質就稱為「光疏介質」。
例如空氣相對於水就是光疏介質，水相對於空氣就是光密介質。光從空氣射入水中，折射率變大，折射角小於入射角，因此光線向法線偏折。
走出不去的光：全反射現象
如果光線從水中射入空氣中，情況又是如何呢？由於水是光密介質，角度較小，空氣是光疏介質，角度較大，因此 光線會向水面偏折 。如果增大水中光線的入射角，空氣中的折射角也會增大，在某個時刻，空氣中的折射角達到 90° ，此時就稱為「掠出射」。如果繼續增大入射角，折射光線無論折射向哪裡都不合理。此時會出現一種奇特的現象，折射光線消失，只剩下反射光線，這種現象就稱為「全反射」。
虛線箭頭為「掠出射」，此時折射角到達了 90°，而灰色箭頭則是「全反射」，此時光線被反射回水裡。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
全反射在生活中有很多應用，例如光纖就是利用光線在內芯和外套之間反覆全反射傳播訊號。
光纖即是運用全反射的原理，讓光快速的傳播。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
所謂的海市蜃樓，究竟從何而來呢？
現在我們就可以解釋「海市蜃樓」了，先說說什麼叫「蜃」呢？
古老的傳說裡，龍有眾多的子嗣，蜃則是其中一個大有來頭的兒子。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
龍生九子，各不相同，其中有一個兒子就叫蜃，蜃喜歡吞雲吐霧，在海上把東西都吞到肚子裡，一會兒又吐出來，這時人們就可以看到有些東西浮在海平面上。這只是一種神話傳說，「海市蜃樓」實際上是一種光的折射現象，在海洋和沙漠中都可能出現。
傳說蜃會在海上把所有東西吞到肚子裡，再吐出來，讓人們看到各式各樣不可思議的事物漂浮在海面上。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
在海洋上，海水比熱更大，也就是說，在接受太陽照射時，海水不容易升溫。在強烈的太陽照射下，靠近海水的地方，空氣溫度比較低，密度較大，折射率較大，屬於光密介質；高層空氣溫度較高，空氣受熱膨脹，密度較小，折射率較小，是光疏介質。光線從光密介質射向光疏介質，就像從水中射向空氣一樣，折射角變大，光線會趨於水準。假如海面上有一艘船，這艘船反射出的光線向上射，就會在各個不同的空氣層之間發生折射，發生彎折。
當光線從密度大逐漸傳播至密度小的介質，再全反射回密度大的介質。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
如果在還沒有發生全反射時，光線就進入人眼，就會以為物體在遠方的高處，形成正立的蜃景；如果光線在傳播過程中發生全反射，人們逆著光線看去，就會看到倒立的蜃景。
以海面上的海市蜃樓為例，光線的傳播路徑如實線所示，虛線則是人們以為物體所在的地方。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
沙漠中的海市蜃樓成因剛好與海洋上相反，沙子的比熱很小，所以靠近沙漠的地方，空氣溫度比較高。空氣受熱膨脹，密度較小，折射率較小，是光疏介質；上層的空氣距離沙子較遠，溫度相對較低，空氣密度相對較大，折射率較大，也就形成了光密介質。光線從上向下照射時，從光密介質進入光疏介質，相當於從水射向空氣，折射角變大，光線偏向水準。當折射角增大到一定程度時，就會發生全反射而向上照射。
當光線從密度大逐漸傳播至密度小的介質，再全反射回密度大的介質。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
例如有一朵雲彩飄在空中，反射的光線經過折射和全反射被地面上的人觀察到。大腦會認為光線依然是直線傳播，因此判定雲彩在地下。雲彩不會在地下，所以人們會認為地面上有一個可以反射光線的物質，那就是水，這就是沙漠中海市蜃樓的原理。由於沙漠中沙子的溫度非常高，形成蜃景的光線在靠近沙子時一定會發生全反射，所以在沙漠中的海市蜃樓都是倒像。
在沙漠的海市蜃樓裡，光線的傳播路徑如實線所示，虛線則是人們以為物體所在的地方。圖／《跟著網紅老師玩科學》提供
炎熱的夏天，馬路上的溫度也非常高，形成的效果與沙漠相同。在靠近地面的位置，光線很容易發生全反射，映出車輛的倒影，所以就會讓人們誤以為地面上有水。下次再遇到這種現象，別再被你的眼睛欺騙了哦！
- 文章首圖來源：Flickr
——本文摘自《跟著網紅老師玩科學》，2019 年 4
月，時報出版。
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