[趣味玩物理] 海市蜃樓(Mirage)是什麼現象？原來與DSE物理光學有關？
引言
大自然中存在著許多令人驚嘆的現象，其中海市蜃樓無疑是光學奇觀。儘管在電影中常見到人們因為幻像而產生的失望，但海市蜃樓的真實存在卻是一種神奇且美妙的現象。它是由大自然與光線交織出的景象，通過折射和全內反射的結果，為每個親眼看過的人都帶來深刻的印象。
海市蜃樓現象
海市蜃樓是一種光學現象，通常發生在沙漠或海洋等廣闊平坦的地區。它的形成是由於光線在大氣中的折射和全內反射所引起的。海市蜃樓分為「海市」和「蜃樓」兩種現象。
「海市」是指當觀察者位於海邊，從陸地朝向海面觀察時，會看到海面上方出現船隻或其他物體的幻影。這種幻影的形成是由於海水和海面上空的溫度差異引起的。在夏天或中午時分，海水的溫度比高空的溫度低，導致海水的密度比空氣大。當光線通過這種溫度差異的界面時，會發生折射和全內反射，形成觀察者看到的幻影。
「蜃樓」則是指在沙漠地區，從地面往遠處觀察時，出現遠處物體的倒立幻影。這種幻影的形成是由於地面和高空的溫度差異所致。在沙漠環境中，地面的溫度比高空的溫度高，導致地面的密度比空氣小。當光線通過這種溫度差異的界面時，也會發生折射和全內反射，形成觀察者看到的倒立幻影。
「海市蜃樓」的幻象通常會使觀察者誤以為看到了虛構的景象，例如海面上的船隻或遠處的綠洲或城市。這種現象是暫時性的，會隨著觀察者的位置和天氣條件的變化而消失或改變形狀。「海市蜃樓」是一種引人入勝的自然現象，展示了光線在大氣中的奇妙和折射原理。這提醒我們，在觀察自然景象時，我們需要理解光的特性和環境因素的影響，以避免誤解和誤判。
海市蜃樓有關的DSE物理概念
光線折射公式
當光在不同介質中傳播時，通常會發生方向的改變，這現象被稱為折射。例如，當光線從空氣斜射入水中時，光線會向下偏折。折射的原因是因為光在不同介質中傳播的速度不同。人們使用折射率（n）來表示光在不同介質中的傳播速度差異，折射率（n）等於光在真空中的速度（c）除以光在介質中的速度（v）：n = c/v。介質的折射率越大，光在介質中傳播的速度越小。
顯然，真空中的光速（v）等於光速（c），因此折射率（n）等於1。空氣中的光速接近真空中的光速，因此，其他介質中的光速都小於真空中的光速，折射率（n）＞1。
物理折射定律
折射率（n）是介質的一個性質，而角度（θ）則是光線與法線的夾角。正弦函數（sinθ）在0到90度的範圍內是一個遞增函數，也就是說，角度θ越大，正弦值也越大。
根據折射定律，如果材料的折射率n較大，介質中的角度θ就較小，這種介質被稱為「光密介質」。相反地，如果材料的折射率n較小，介質中的角度θ就較大，這種介質被稱為「光疏介質」。
舉個例子，空氣相對於水來說是光疏介質，而水相對於空氣來說是光密介質。當光從空氣射入水中時，由於折射率的增大，折射角會小於入射角，因此光線會向法線偏折。
DSE物理光原理-斯內爾定律 (Snell’s Law)
在這個公式中：
n₁ 和 n₂ 是兩種介質的折射率。折射率是介質對光的傳播速度的度量，是一個無單位的數值。不同介質的折射率不同，折射率越大表示光在該介質中傳播得越慢。
θ₁ 是光線入射角，即光線與界面法線之間的夾角，以入射介質為參考。
θ₂ 是光線折射角，即光線與界面法線之間的夾角，以折射介質為參考。
斯涅爾定律表明，當光線從一個介質進入另一個介質時，入射角和折射角之間的正弦比等於兩個介質的折射率之比。這意味著光線在從一個介質折射到另一個介質時會改變方向，具體的偏折程度取決於兩個介質的折射率差異和入射角度。
斯內爾定律與海市蜃樓
斯內爾定律（Snell's Law）也被稱為折射定律，描述了光線在兩個介質之間傳播時的折射行為。在海市蜃樓的現象中，斯內爾定律起到了關鍵的作用。
海市蜃樓通常出現在海洋或湖泊附近的濕潤地區。當大氣中的溫度和壓力分布不均勻時，空氣的折射率也會不均勻。這樣的不均勻性產生了大氣中不同層次的折射率變化，形成了一個光學梯度。 當光線從上方經過這樣的光學梯度時，斯內爾定律描述了光線在不同折射率的大氣層之間的彎曲。由於光在折射率較低的層中傾斜地經過，然後再折射到折射率較高的層中，光線的路徑彎曲到觀察者的位置。
這種彎曲導致了海市蜃樓的幻象。當觀察者看向遠處的物體時，光線經過大氣中的折射後，形成了物體的折射影像。這些影像可能出現在物體的上方或下方，形成了一個虛幻的景象。
通過瞭解斯內爾定律和大氣中的折射率變化，我們能夠更好地理解和解釋這一奇妙的光學現象，加深了對光學的認識。
總結
海市蜃樓是一種光學現象，它通過光線在大氣中的折射和全內反射形成幻影。海市蜃樓的形成涉及到大氣折射率的變化和光線的折射定律。這種現象提醒我們在觀察自然景象時要注意光的特性和環境因素的影響，以免產生誤解。海市蜃樓讓我們欣賞到大自然中奇妙而美麗的光學效應，同時也激發了人們對科學和自然的好奇心。
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