奇妙的大气光学折射现象

奇妙的大气光学折射现象 江苏沛县张街中学 张振楼两个月亮手牵手有首歌曲叫半个月亮爬上来，有位摄影者爱好者却拍摄到“两个月亮手牵手”的有 趣图景，如图1。用肉眼即可看到天空下正挂着一弯明亮的月牙，但通过望远镜看到的影像 却是这弯月牙共露 4 只角，同侧角之间的夹角约 30左右。顺其轮廓勾画一下，果然可看 出是两弯月牙的不完全重合！“重月”现象和雨后彩虹等天文现象一样，都是大气折射造成的。只要大气云层中有足 够的冰晶，冰晶的颗粒大小、密集程度等条件适宜，就会造成光线的折射，从而再“复制” 出一个影像。三个太阳同映辉2003年1月 20日，新疆塔城地区上空出现三日同辉天空的奇观，太阳两侧出现了两团 明亮的光晕，宛如天空中有三个“太阳”。天上居然挂着3 个太阳，不是回到“后羿时代” 了吧？如图 2。这是一种自然现象，在气象学上称为“假日现象”。由于塔城地区连日来持 续降雪，空中形成了足够大的冰晶，当阳光折射时，就在太阳周围形成一些光环、光弧和光 点，这些光学现象称为晕，其中的明亮光点称为假日，人们视觉上会以为天上出现了多个太 阳。七彩光环抱太阳“看，七彩光环环抱太阳了”，如图3。青岛天空出现奇特天象一一日晕。日晕如一道 环抱太阳的彩虹，大约过了 1个小时才渐渐消失。许多市民驻足观望，欣赏到了这一鲜见的 气象奇观。日晕是一种比较罕见的大气现象，是因为距离地面10 千米以上的高空中出现了由冰晶 构成的卷层云，阳光透过这些云层产生折射后，便分解成从内向外呈红、橙、黄、绿、蓝 靛、紫7种颜色，形成了“日晕”。问题设置：上述三种现象属于光的现象，它们形成的共同原因是空中都有，当光在空气和这两种不同介质中传播时形成的。探究平面镜成像时像与物的关系山东省淄博市淄川区中小学社会实践活动基地 张勤昌实验原理：平面镜所成的像是物体发出（或反射）的光线射到镜面上发生反射，由反射光线的反向延长线在镜后相交而形成的。平面镜成虚像，虚像只能用眼睛看，而不能成在光 屏上。方案一实验器材：长方形玻璃板1块、蜡烛3只、铁夹2个、塑料瓶盖3个、A4复印纸1张、铅笔、刻度尺实验步骤：1在水平桌面上铺一张 A4 复印纸，使纸面平整，过纸的长边中点画一条垂直于长边的直线 MN。2. 使玻璃板长边边缘沿复印纸上的直线MN放置，再用铁夹夹住玻璃板的短边支撑住玻璃板，并使玻璃板垂直于纸面稳定放置（如图 1-1 ）。3. 把2只蜡烛截成大小相同的形状，一只命名为蜡烛A,另一只命名为蜡烛B。把蜡 烛 A、B 分别固定在瓶盖的中心位置（如图 1-2）。把蜡烛 A 放在玻璃板的前面，记下它的 位置A。点燃蜡烛A,在玻璃板后用光屏接收蜡烛A的像，光屏上是否有蜡烛A的像？（看 不到“A”的像，说明平面镜成虚像。）图1-24. 从燃蜡烛A的一侧向玻璃板中看，能否看到点燃蜡烛A的像？（可以看到蜡烛在玻 璃板中的像）5. 把没有点燃的蜡烛B,竖立着在玻璃板后面的纸面上移动，直到从蜡烛A烛一侧看 上去它跟蜡烛A的像完全重合（如图1-3）。记下蜡烛B的位置B。（这说明像与物大小相 等。此时镜后的物体位置就是镜前物体的虚像的位置。）有外界灯般确忌卜界灯光的昨图1-36. 拿去蜡烛B,用与蜡烛A大小不一样的另一支蜡烛C放在玻璃板后面移动，蜡烛C 和蜡烛A的像会完全重合吗？（无法把物体与像补完全重合，再次证明物与像大小相等）7. 熄灭蜡烛A,调整蜡烛B的大小，使蜡烛A、B再次大小相同。改变蜡烛A在玻璃 板前的位置，记下它的位置A2,重复步骤5,记下蜡烛B的位置B2。8. 重复步骤7,记下蜡烛A的位置A3，蜡烛B的位置B3。9. 熄灭蜡烛A,从纸面上把玻璃板、蜡烛A、B拿去。用直线依次连接A的中心点、 B的中心点，A2的中心点、B2的中心点，A3的中心点、B3的中心点。观察连线A”, A2B2, A3B3与MN是否垂直，并用刻度尺依次测量AB、A2、B2、A3、B3的中心点到MN的距 离，把测量结果记录到表1 中。（物与像的连线与平面镜垂直，物与像上的对应点到平面镜 的距离相等）表1测量量蜡烛到MN （镜 面）的距离像到MN （镜面） 的距离像与物大小的 比较像与物连线是否 与MN （镜面）垂 直第一次第二次第三次友情提示：该实验方法的缺点是蜡烛中心的位置不容易确定，测量物、像到平面镜的距离时误差较大。方案二 实验器材：长方形玻璃板 块、橡皮3块（其中两块橡皮形状、大小相同，第三块与大 小相同的两块橡皮形状相同、大小不相同）、铁夹 2 个、缝衣针（形状、大小相同） 3 个、 A4复印纸1张、铅笔、刻度尺。实验步骤：1. 在桌面上铺一张 A4 复印纸，使纸面平整，过纸的长边中点画一条垂直于长边的直 线 MN。2. 使玻璃板长边边缘沿复印纸上的直线MN放置，再用铁夹夹住玻璃板的短边支撑住 玻璃板，并玻璃板垂直于纸面稳定放置。3把2块形状、大小相同的橡皮，一块命名为橡皮A,另一块命名为橡皮B。把两个 缝衣针垂直于橡皮面分别插在A、B两块橡皮比较大的面上的中心位置上，使针尖在橡皮的另一面刚好露出。（如图 2-1 所示）图2-14.把带针的橡皮A放在玻璃板的前面，在玻璃板后用光屏接收带针的橡皮A的像，光 屏上是否有橡皮A的像？5从带针的橡皮A的一侧向玻璃板中看，能否看到橡皮A的像？6. 把带针的橡皮B在玻璃板后面的纸面上移动，直到从橡皮A 一侧看上去橡皮B与 橡皮A的像完全重合。用力向下插一下橡皮A、B上的针，橡皮A上的针插在纸上的位置 记为A,橡皮B上的针插在纸上的位置记为B（如图2-2所示）。图2-27. 在第三块橡皮C的比较大的面上中心位置垂直于橡皮面插上一个针，拿去橡皮B, 用带针的橡皮C放在玻璃板后面的纸面上移动，橡皮C和橡皮A的像会完全重合吗？8. 调整橡皮A、B上的针，使针尖刚好露出橡皮表面。改变橡皮A在玻璃板前的位置, 重复步骤6,记下橡皮A上的针插在纸上的位置记为A2,橡皮B上的针插在纸上的位置记 为 B2。9. 重复步骤8,记下橡皮A上的针插在纸上的位置记为A3 ,橡皮B上的针插在纸上 的位置记为 B3。10. 从纸面上把玻璃板、橡皮A、B拿去。用直线依次连接点A、B,点A2、B2，点 A3、B3。观察连线A1B1，A2B2, A3B3与MN是否垂直，并用刻度尺依次测量点A、B, 点A2、B2，点A3、B3到MN的距离，把测量结果记录到表2中。表2测量量橡皮到MN （镜 面）的距离像到MN （镜面） 的距离像与物大小 的比较像与物连线是否与 MN （镜面）垂直第一次第二次第三次友情提示：该实验方法的优点是物与像的位置容易确定，测量物、像到平面镜的距离时误差较小。 缺点是物体在玻璃板中成的像不够清晰，用深颜色玻璃板做该实验成像会比较清晰。方案三实验器材：长方形平面镜1 块、橡皮3块（其中两块橡皮形状、大小相同，第三块与大 小相同的两块橡皮形状相同、大小不相同）、铁夹2个、中性笔芯3支、A4复印纸1张、铅 笔、刻度尺。实验步骤：1在桌面上铺一张 A4 复印纸，使纸面平整，过纸的长边中点画一条垂直于长边的直 线 MN 。2. 使平面镜长边边缘沿复印纸的直线MN放置，再用铁夹夹住平面镜的短边支撑住玻 璃板，并使平面镜玻璃板垂直于纸面稳定放置。3. 把2块形状、大小相同的橡皮，一块命名为橡皮A,另一块命名为橡皮B。把两只 中性笔芯笔尖向下垂直于橡皮面分别插在A、B两块橡皮比较大的面上的中心位置上，使笔 尖在橡皮的另一面刚好露出。（如图 3-1）图3-14. 把带笔芯的橡皮A放在平面镜的前面，从带笔芯的橡皮A 一侧向平面镜中看，会看 到橡皮 A 的像。5. 把带笔芯的橡皮B在平面镜后面的纸面上移动，直到从橡皮A一侧看上去橡皮B 与橡皮A的像完全重合。用力向下插一下橡皮上的笔芯，橡皮A上的笔芯插在纸上的位置记为A,橡皮B上的笔芯针插在纸上的位置记为B1 （如图3-2所示）。图3-26. 在橡皮C的比较大的面上中心位置垂直于橡皮面插上一支中心笔芯，拿去橡皮B, 用带笔芯针的橡皮C放在玻璃板后面的纸面上移动，橡皮C和橡皮A的像会完全重合吗？7调整橡皮A、B上的笔芯，使笔芯针尖刚好露出橡皮表面。改变橡皮A在玻璃板前 的位置，重复步骤5,记下橡皮A上的笔芯插在纸上的位置记为A2,橡皮B上的笔芯插在 纸上的位置记为b2。8. 重复步骤7,记下橡皮A上的针插在纸上的位置记为A3，橡皮B上的针插在纸上 的位置记为 B3。9. 从纸面上把玻璃板、橡皮A、B拿去。用直线依次连接点A、B,点A2、B2，点 A3、B3。观察连线AB, A2B2, A3B3。与MN是否垂直，并用刻度尺依次测量点AB, 点A2、B2，点A3、B3。到MN的距离，把测量结果记录到表3中。表3测量量带笔芯的橡皮到 MN （镜面）的 距离像到MN （镜面） 的距离像与物大小的比 较像与物连线是否 与MN （镜面） 垂直第一次第二次第三次友情提示：该实验方法的优点是成像清晰，物与像的位置容易确定，测量物、像到平面镜的距离时误差较小。缺点是笔芯漏出的油墨会污染橡皮，如果不注意会污染到复印纸上。实验结论：1. 平面镜成虚像。2. 平面镜所成的像与物等大。3物象对应点到平面镜的距离相等。4物象对应点的连线与平面镜垂直。注意事项：1实验过程中，蜡烛燃烧时，使用玻璃板、平面镜、针等物品时注意安全。2光屏可以用白色纸板制作。3用玻璃板做实验时，所成的像不清楚时可用光照射物体，这时像就会比较明亮。4用橡皮、笔芯做实验时，要及时擦干净笔芯漏到橡皮上的油墨，以防污染复印纸不好确定橡皮的位置。