秦皇岛海市蜃楼刷屏！用物理实验室软件看懂光的折射 “魔法”

3 月 28 日下午，河北秦皇岛阿那亚黄金海岸出现罕见带状海市蜃楼，一条边缘平整、绵延数十公里的 “空中列车” 横跨海面，内部房屋、圆柱、船只轮廓清晰，色彩斑斓，持续近一小时，被目击者称为 “30 年一遇” 的春日奇观。

这一幕震撼景象，背后藏着初中物理最基础的光学原理 ——光的折射。今天我们就借助矩道物理实验室软件，用几个经典折射实验，带你看懂自然奇观背后的初中物理知识。

01 海市蜃楼的光学原理

海市蜃楼是光在密度不均匀的介质中发生折射，甚至全反射形成的虚像。

此次秦皇岛出现的海市蜃楼属于上现蜃楼：春季海面温度较低，下方空气密度大、折射率高，上方空气较暖、密度小、折射率低。

远处物体反射的光线，从高密度空气斜射入低密度空气时，不断向偏离法线的方向折射；当入射角达到临界角时，会发生全反射，光线转而向下弯曲，最终传入人眼。

人眼会逆着光线直线感知，于是就看到了 “悬浮在空中” 的虚像，且虚像通常比实物位置更高。

02 筷子 “折断”—— 最直观的折射现象

将玻璃杯装满清水，放在桌面；把筷子斜插入水中，筷子在水中的部分，看起来像 “向上折断” 了一样，水下部分和水上部分不在一条直线上。

原理：筷子反射的光线，从水（光密介质）斜射入空气（光疏介质）时，折射角大于入射角。人眼逆着光线看，会误以为光线沿直线传播，于是筷子就呈现出 “弯折” 的效果。

关联海市蜃楼：海市蜃楼和筷子 “折断” 本质都是光从一种介质进入另一种介质时传播方向改变，只是前者是空气分层，后者是水与空气的界面。

03 水底 “变浅”—— 虚像位置更高的秘密

将一个印有红点的木板放在水槽中，将木板放置在恰好看不见红点的位置，但是当逐渐往水槽中注水后，红点却出现了。

原理：这同样是光的折射现象造成的，当红点发出的光从水中射出到空气中时会发生偏折，逆着折射光看过去，就会感觉这点的位置升高了。

关联海市蜃楼：这正是海市蜃楼中 “虚像高于实物” 的微观版！大连海边的船只、楼宇，就像这枚硬币，因空气折射被 “抬升”，变成了空中奇观。

04 光在不均匀介质中的传播

把几块不同折射率的玻璃砖叠加在一起，模拟大气密度分层导致的折射率不同。然后将一束光线从一端斜射进玻璃砖，会看到光在不同折射率介质中发生连续弯折。海市蜃楼现象同样是光线在空气层中不断折射导致传播路径发生弯曲。

知识小课堂

1为什么海边能出现海市蜃楼？

海边是海市蜃楼的高发区域，核心原因在于海面易形成稳定的大气密度分层。

海水的比热容远大于空气，升温慢、降温也慢，导致海面与上空空气容易出现明显的温度差：白天海面温度低于高空空气，形成“下冷上暖”的结构（下层空气密度大、折射率高；上层空气密度小、折射率低）；夜晚则可能出现“下暖上冷”的结构，两种情况都能满足光的折射与全反射条件。

此外，海边水汽充足，空气透明度高，能减少光线散射，让折射形成的虚像更清晰，因此海边更容易观测到海市蜃楼，且多以上现蜃楼（虚像高于实物）为主，就像秦皇岛此次的“空中列车”。

2沙漠中的海市蜃楼

不仅海边有海市蜃楼，广阔的湖面以及沙漠中也会出现，湖面与海边的海市蜃楼都是上现蜃楼。但沙漠中蜃景的类型和形成原理与海边截然不同，属于下现蜃楼（虚像低于实物）。

沙漠中白天日照强烈，沙粒比热容小，快速升温，导致贴近地面的空气被加热，温度远高于上层空气——形成“下暖上冷”的大气结构（下层空气密度小、折射率低，上层空气密度大、折射率高）。此时，远处物体（如沙丘、绿洲）反射的光线，从上层高密度空气（光密）斜射入下层低密度空气（光疏），折射角大于入射角，光线不断远离法线，最终发生全反射，光线向上弯曲传入人眼。

人眼逆着光线看，会误以为虚像在地面附近，因此沙漠中的蜃景常表现为“地面上的积水”“远处的绿洲”，实则是远处物体的虚像。这种蜃景多出现在正午前后，此时沙漠地面温差最大，密度分层最稳定，但持续时间较短，往往随风或温度变化快速消失，也正因如此，常误导沙漠中的旅行者，让人误以为前方有水源。

与沙漠海市蜃楼类似的还有夏天的柏油马路上那种远远望去，仿佛有一滩积水在路面上晃动，走近了却消失得无影无踪的现象。这种现象与沙漠海市蜃楼原理相同，都是因空气密度不均导致光线折射或全反射。

夏天路面受热，紧贴地面的空气密度小，上层空气密度大，光线从密层进入疏层时发生折射甚至全反射，向上弯曲进入人眼，大脑误将接收到的天空光投射到路面，由于这种视觉效果看起来波光粼粼、像一滩水，且会随着距离移动，因此常被误认为是积水。但实际上，那只是被弯曲的蓝天的影像。

无论是海边的“空中列车”，还是沙漠的“虚幻绿洲”，本质都是光的折射与全反射的杰作，背后都藏着相同的物理规律——光始终在遵循“折射定律”，只是不同的环境条件，造就了不同的奇观模样。