不知道大家在炎熱的夏天，有沒有看到過這樣的一個現象：在不遠的前方，路面上好像有一灘水，還映出了前車的倒影。但我們走過去一看，路面上其實根本就沒有水。
你並沒有出現幻覺，這是一種光的折射和全反射現象，通常稱作海市蜃樓。
光的折射
為了理解這個現象，我們首先來解釋一下光的折射。
我們初中就學過：光在不同界面間傳播的時候，傳播方向一般會發生變化。比如一束光從空氣斜射入水中，會向下偏折。入射光線和法線的夾角稱為入射角，折射光線與法線的夾角稱為折射角。
人們發現：當光線在空氣和水的界面中進行折射時，空氣中的入射角總是比較大，水中的折射角總是比較小。
後來人們發現：出現折射現象的原因是光在兩種介質中傳播的速度不同。如果光在某種介質A中傳播速度比其他介質B快，那麼介質A對介質B就叫光疏介質，介質B對介質A就叫光密介質。比如，光在空氣中的傳播速度接近於真空中的速度，比水中光速要快，因此空氣相對於水就是光疏介質，水相對於空氣就是光密介質。折射時，光疏介質中的入射角大，光密介質中的折射角小。
荷蘭物理學家惠更斯研究了光發生折射的原因。他借用機械波的觀點解釋了光折射的原因。
如圖，一束平行光照射到兩種介質的界面時，各條光線並不是同時到達界面的。下方的光線先到界面A點，上方光線此時只到達了B。隨後，A就會在第二種介質中傳播，而光線B繼續在第一種介質中傳播。由於在第二種介質中光的傳播速度比較慢，當B光線傳播到界面上的B0點時，光線A傳播到A』點，並且AA』<BB0,這就造成了光線的偏折。宛如一輛汽車本來在柏油馬路上走，右前輪突然進入了沙土地面，此時汽車的運動方向就會發生偏折一樣。
全反射
如果光線從水中射入空氣中，情況又是如何呢？此時，水中的角度就是入射角，空氣中的角度就是折射角，但是空氣中的角度還是大於水中的角度。如果增大水中的入射角，那麼空氣中的角度會變得更大。在某個時刻，空氣中的折射角達到90度，此時就稱為掠出射。如果繼續增大入射角，那麼折射光線無論向哪裡都不合理了。此時會出現一種奇特的現象：折射光線消失，所有只有反射光線，這種現象就稱為全反射。
全反射在生活中有很多應用，比如光導纖維，就是利用光線在內芯和外套之間反覆全反射傳播信號的。
海市蜃樓
現在我們就可以解釋海市蜃樓了。
什麼叫 「蜃」呢？龍生九子，九子各不相同，其中有一個兒子就叫蜃，蜃喜歡吞雲吐霧，它在海上把東西都吞到肚子裡去，一會兒又吐出來，人們就可以看到有些東西浮在海平面上。這個實際上是一種光的折射現象。海市蜃樓在海洋和沙漠中都可以出現。
在海洋上，海水比熱容更大，也就是說，在接受太陽照射時，海水不容易升溫。在夏天強烈的太陽照射下，靠近海水的地方，空氣溫度比較低，密度較大，屬於光密介質。高層空氣溫度較高，空氣受熱膨脹，密度較小，是光疏介質。光線從光密介質射向光疏介質，折射角變大，光線會趨於水平。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射折射，發生彎折。
如果在還沒有發生全反射時，光線就進入了人眼。那麼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了全反射，人們逆著光線看去，就會看到倒立的蜃景。
沙漠中的海市蜃樓成因剛好與海洋上相反。沙子的比熱容很小，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，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，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，折射角變大。當折射角增大到一定程度，就會發生全反射而向上照射。
比如有一朵雲彩飄在空中，它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的，因此認為雲彩在地下。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。
炎熱夏天的馬路溫度也非常高，形成的效果與沙漠相同。所以在靠近地面的位置，光線很容易發生全反射，映出車輛的倒影，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。
作者李永樂老師：北京大學物理與經濟雙學士，清華大學電子工程碩士；北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年，培養清華北大學生200餘人，國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。「美提課堂」主講老師。