星星眨眼为哪般

1、问题研究 星星眨眼为哪般？童永翔 四川省内江市第九中学校 641000 摘 要：“星星眨眼”是光折射形成的自然现象。但其成因并不是表面这样简单，还与大气结构、大气流动等有关。我们可以进行模拟实验再现、分析，作出正确的解释。关键词：星星 眨眼 成因一、问题的发现下面是内江市直、中区2009年4月初三物理光学复习专题教研活动中，主讲教师选用的一个习题：下列现象中属于光的反射现象的是（ ）A、太阳光穿过茂密的树叶，在地面上留下光斑B、人在河边看见鱼在水中游动 C、人在河边看见“白云”在水中飘动D、在晚上，看见“星星”眨眼睛答案选C自不多说。但主讲教师在对D选项的“星星眨眼”做出的解释是：星光穿过天空

2、的云层时发生折射，并画图说明。此解释一石激起千层浪。本现象不能在实验室再现，其成因如何？与会教师争辩热烈，莫衷一是。主要有两种意见：部分教师赞成主讲教师的观点；多数教师认为应是“星光穿过不均匀的大气层发生折射”，“大气层不均匀”是根本原因。在大家意见就要“尘埃落定”之时，笔者提出“异议”。二、假设与推理笔者的“异议”是随着假设与推理步步深入的：1、那怕如太阳般“光彩夺目”，既使是薄云，也会让人们感受到云层对太阳光的显著遮挡影响。那么，对星星的萤弱光线来说，就只能是“不见星星”而不是“星星眨眼”了。2、对“星星眨眼”是“大气层不均匀使星光发生折射”的解释，笔者认为：尽管大气层不均匀，但假设是稳定

3、的，星光折射光路虽更为复杂，但折射光线也会保持稳定，同样观察不到“星星眨眼”的现象。3、因此，“星星眨眼”是星光穿过大气层折射到地面的光线较快速的无规律偏移，进入人眼的部分时有时无形成的。那么，导致星光的折射光线发生这种偏移的原因是什么呢？大气层的空气分布不仅是不均匀的，同时也是不稳定的。如果把无规律的空气流动称为紊流，那么，紊流的出现会使大气层密度分布发生较快速地无规律变化，从而较快速地改变星光的折射光路，使折射光线发生较快速的无规律偏移。三、论证与实验为避免误导大家，证实上述假设与推理，笔者随后查阅了高中地理教材及教师用书，并进行了三组模拟实验。（一）、大气的垂直分布和特点大气层从下向上垂

4、直分层分布，有对流层、平流层和高层大气。其中，高层大气几近真空且相对稳定，对光线的折射作用甚小，影响可以不计。下面两层的最大特点就在“流”上：平流层的空气流动方向、流速相对稳定。对流层含有大量水汽和杂质，空气活跃，既有水平又有垂直等各方向的流动。运动显著、无规律（相对于平流层）特征明显。气温越高，对流运动越旺盛，导致对流层高度发生变化、空气密度不均匀的分布发生变化越快速。那么，大气的这种变化真的会造成星光的折射光线发生无规律的偏移，而能在地面观察到“星星眨眼”吗？为证实这个猜想，笔者进行了以下模拟实验。 （二）、模拟实验及实验现象 实验设计：分别用透明植物油、清水模拟大气的平流层、对流层；用蔗

5、糖或食盐溶化等方法形成密度不同的液体；搅拌形成紊流。以此模拟星光通过大气层的折射情形。 实验器材：烧杯、清水、透明植物油、蔗糖或食盐、激光电筒、一端弯曲的塑料吸管、空心支架。 实验装置：烧杯放在空心支架上，从下方观察杯底的光斑。 实验过程：模拟实验一图1观察方向 光斑油水激光电筒吸管 如右图1示。先在烧杯中装入35深的清水，再缓慢注入58深的透明植物油。1、 待水和油稳定后，用激光电筒将光线从上方斜射向液面，从下方观察激光束在烧杯底部形成的光斑是否偏移。 实验现象一：光线虽发生两次折射，但光斑不偏移。2、 将塑料吸管弯曲端轻轻探入水层的中部靠近光线经过附近，轻轻来回转动，使水层产生紊流，观察光

6、斑是否偏移；调节塑料吸管的转动搅动快慢，使水产生不同程度的紊流，观察光斑偏移情况有何不同。图2观察方向激光电筒光斑搅动吸管水实验现象二：轻轻搅动且油面、油与水的界面基本不动时，尽管水层有轻微流动，但由于其分布均匀，几乎观察不到光斑的偏移；搅动加剧加快，使油面、油与水的界面不再稳定，光斑偏移加快，幅度加大。模拟实验二如右图2示，在烧杯中注入10cm左右深的清水。先轻微搅动后剧烈搅动清水，观察光斑是否偏移。实验现象三：轻微搅动尽量使水面保持平静时，几乎观察不到光斑的偏移；搅动幅度稍大致水面发生起伏时，可观察到十分明显的光图3观察方向蔗糖激光电筒光斑转动吸管水斑偏移。模拟实验三如右图3示，在烧杯壁附

7、近放入一小撮蔗糖或食盐。将吸管弯曲端伸到蔗糖或食盐附近，几秒后，来回转动吸管，使溶有蔗糖或食盐而密度稍大于清水的部分糖水向光线经过处无规律的流动，形成密度稍有不同的紊流，同时尽量保持液面稳定，观察光斑是否偏移。实验现象四：光斑偏移幅度较小，闪烁现象却十分明显。（三）、实验结论：结论一：由实验现象一可知，尽管液体的密度分布不均匀，但如果液体保持稳定，光线折射的光路也会保持稳定，光斑不偏移。 结论二：由实验现象二、三可知，不论液体密度分布是否均匀，只要其分界面发生无规律的变化，经过液体的折射光线就会发生无规律的偏移。结论三：由实验现象四可知，液体分界面不变，密度分布发生不均匀变化时，光斑发生偏移。 四、结语根据以上模拟实验现象及结论，概括起来，“星星眨眼”，主要是因为高层大气、平流层、对流层之间的界面不稳定；含有大量水汽和杂质的对流层空气无规律的流动（简称“紊流”），使大气密度分布发生无规律变化。导致星光透过大气时折射光线发生无规律偏移，进入人眼的部分时有时无形成的。当天气晴好地面受热多时，对流层高度增大，水汽及杂质对流旺盛，大气密度不均匀分布变化更易形成、更明显，星光的折射光线偏移就越明显。因此，夏天较冬天容易观察到“星星眨眼”。物理学是自然科学同时也是基础和工具科学。物理教师在深研本学科知识、技能、方法的同时，也要加强关联学科关联知识的学习；对教学中遇到的疑难，