柏油路面倒影之探讨-旺宏教育基金会.PDF

第五屆旺宏科學獎 成果報告書 參賽編號：SA5-309 作品名稱：國王的海市蜃樓 姓 名：李 璇 、反射、折射 關 鍵 字：海市蜃樓 目 錄 壹、研究題目 1 貳、研究動機 2 參、研究目的 2 肆、研究過程 3 伍、結論 13 陸、討論及應用 15 柒、參考資料 16 1 國王的海市蜃樓 ～柏油路面上倒影的成因～ 壹、研究題目 當豔陽高照時，走在柏油路面上，觀察遠方柏油路面上的人、車的景物，經常會因 為空氣的折射，而晃動地十分厲害，就好像我們觀察火爐上方的影像一般。甚者，遠方 的柏油路面偶爾會出現類似積水的現象，積水中甚至會出現人、車的倒影，但此時的柏 油路面不僅沒有積水，更是熱得發燙。我稱此為「柏油路面上的假積水現象」，發生這 個現象的區域稱為「假積水區」。 由於我們總是在炎熱的天氣中，看見柏油路面上的假積水現象及倒影，因此多數的 人均認為，柏油路面上的假積水現象及倒影僅會出現於溫度高的白天。而主要的成因， 是因為空氣層之間的溫差不同，使得遠處射向柏油路面的光，不斷地折射，在接近地面 時發生全反射，而產生倒影。許多書本皆認為此現象和沙漠中幻影的成因相同，皆可稱 為「海市蜃樓」。 南一版的基礎物理課本寫道：「遠處物體所發出的光線，經過空氣層間的折射和底 層的反射後，不是沿直線進入我們的眼睛，而是如圖中所示的曲線，使我們以為是從路 面下的倒影所發出。」 在普通物理的課本中，也寫道「當光線接近路面，其前進路徑會通過因為被路面加 熱而逐漸變得比較熱的暖空氣。隨著空氣溫度的增加，空氣中的光速也跟著稍稍增加， 而相對地空氣的折射率會稍稍降低。所以當光線下降遭遇到逐漸變小的折射率，其路徑 將會持續轉向而漸趨於水平面。直到光線為水平且只是稍稍在路面之上，其依舊持續轉 向，結果使得光線向上偏。此後光線會因折射率持續變大而持續向上偏。」〈引述：全 華出版社物理下 。作者： 。〉 Fundamentals of Physics David Halliday 但我觀察發現，地面與上層空氣的溫差，並非柏油路面上假積水現象及倒影出現的 必要條件；反而和入射光的角度、路面的平坦程度及路面的性質有關。因此我認為假積 水現象及倒影主要的成因是「柏油路面的單向反射」而非「空氣的折射與全反射」。我 提出了粗糙面在入射光的入射角接近90度時，可發生單向反射的模型。 2