彩虹中的物理現(xiàn)象研究

孫瑨

摘 要：雨后的天空中經(jīng)常會出現(xiàn)色彩鮮艷的彩虹，它的形成曾使人們感到困擾。從遙遠(yuǎn)的殷商時(shí)代開始，我國就出現(xiàn)了虹的象形文字，之后的各個(gè)朝代，都有對彩虹的描述，包括彩虹的產(chǎn)生、彩虹的位置以及人造彩虹的出現(xiàn)。西方對于彩虹的研究從亞里士多德開始，歷經(jīng)費(fèi)馬、笛卡爾、牛頓等人，通過理論的研究以及實(shí)驗(yàn)的探索大致上解決了有關(guān)彩虹的一些問題，包括彩虹產(chǎn)生的機(jī)理以及彩虹的顏色。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對于彩虹的認(rèn)識也越來越深刻，彩虹對于人們來說也不再神秘。本文將站在前人研究的基礎(chǔ)上，從物理的角度出發(fā)，通過光的折射原理來分析彩虹中的物理現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：彩虹 物理 光折射

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-01

一、引言

彩虹是光學(xué)中的一種自然現(xiàn)象，是太陽光經(jīng)過水珠后發(fā)生一系列的折射和反射后生成的。因?yàn)樗閷τ诓煌伾墓庥兄煌恼凵渎?，使得太陽光產(chǎn)生了色散。雨過天晴，空氣中充滿了細(xì)小的雨滴，這些雨滴可以看成球狀水珠，如果太陽光以一定的角度射入水珠，將會在在水珠內(nèi)發(fā)生一系列的折射和反射過程，然后從水珠內(nèi)射出，因?yàn)椴煌伾墓獾恼凵渎什煌谑翘柟獗阍谏⒌淖饔孟律闪烁鞣N其他顏色的光，這就是彩虹。以上的彩虹是太陽光在水珠內(nèi)產(chǎn)生兩次折射和一次反射形成的，假若太陽光在水珠內(nèi)產(chǎn)生了兩次折射和兩次反射，然后從水珠射出，這樣形成的彩色光帶我們稱之為副虹，也就是霓虹。

二、彩虹光折射的呈現(xiàn)原理

彩虹并不是一種常見的光學(xué)現(xiàn)象，只有滿足一定的氣象條件時(shí)，它才會出現(xiàn)在我們的視線之中。雨后晴朗的天空中，空氣中雨滴多塵少，太陽光以一定的角度射入空氣中的雨滴，觀察者背對太陽，以一定的角度仰視天空，才能夠觀察到美麗的彩虹。彩虹是陽光通過雨滴的反射和折射形成的，因?yàn)橛甑问遣婚g斷下落的，總有后面的雨滴補(bǔ)到之前雨滴的位置，產(chǎn)生相同效果的折射與反射，由于人眼的視覺暫留，前一個(gè)雨滴產(chǎn)生的視覺效果還沒消散又有后面的雨滴補(bǔ)上，所以我們看到的彩虹是連續(xù)不斷的。彩虹的形成后的模樣與空氣中雨滴的大小息息相關(guān)。雨滴愈大，彩虹的顏色便顯得愈發(fā)明亮，彩虹卻顯得愈加狹窄；反之，雨滴愈小，彩虹的顏色便顯得愈發(fā)晦暗，彩虹卻顯得愈加寬闊。但當(dāng)雨滴小到支撐不了它對太陽光進(jìn)行色散、反射、折射這一系列過程時(shí)，彩虹便消散不可見了。又因?yàn)椴屎缡恰叭照沼辍毙纬傻?，所以它總是存在與太陽的對面。觀察者只有背對太陽才能觀察到美麗的彩虹！

三、彩虹的顏色形成分析

現(xiàn)在流行的說法是彩虹是由赤橙紅綠青藍(lán)紫這七種顏色構(gòu)成的，其實(shí)不然，彩虹是經(jīng)過水滴折射后產(chǎn)生的連續(xù)可見光譜。彩虹就是太陽光色散后產(chǎn)生的現(xiàn)象，雨后的天空中的充滿了太陽光色散的介質(zhì)——雨滴。這些雨滴將太陽光色散成人眼可以觀察到的可見光——波長在400 納米到700 納米之間的電磁波，但是這些可見光只是占據(jù)了整個(gè)電磁波譜的極小的一部分。

由于不同顏色的光的波長不同，導(dǎo)致水對于不同顏色的光的折射率也不盡相同。相對于水對紅色光的折射率而言，水對于紫色光的折射率要顯得更大一些。對于主虹而言，不同顏色的光經(jīng)過水珠折射后與光軸形成的夾角也不同，其中紅光為42.22°，紫光為40.94°，因此，紅光在上，紫光在下。

四、副虹的形成

前文分析的彩虹都是主虹，在主虹的上方有時(shí)候還可以觀察到副虹，也就是常說的霓虹。事實(shí)上，副虹和主虹是一起存在的，只不過由于副虹的顯得更加黯淡，人們不太容易注意到。生成副虹的機(jī)理相對于主虹來說要顯得更為復(fù)雜。主虹是太陽光在水珠內(nèi)經(jīng)過兩次折射和一次內(nèi)反射的產(chǎn)物，而副虹則比主虹多了一次內(nèi)反射的過程，這也導(dǎo)致了霓的顏色與虹的顏色恰好順序相反。實(shí)際情況是，光線從水珠的上半部分射入時(shí)也同樣形成了副虹，只是光線在水珠內(nèi)經(jīng)過兩次折射和兩次內(nèi)反射后形成的出射光線飛向了空中，并沒有落回地面，所以我們能夠在空中觀察到這樣的副虹。光的折射和反射都要消耗能量，相較于主虹只經(jīng)過了一次內(nèi)反射而言，經(jīng)過兩次內(nèi)反射后形成的副虹顏色自然會顯得黯淡[13]。因此，虹常有，而霓不常有，就是這個(gè)緣故。

五、亞歷山大暗帶

亞歷山大暗帶是指一種和彩虹結(jié)合在一起的光學(xué)現(xiàn)象，簡單的說就是兩條彩虹中間的區(qū)域亮度相較于外部而言顯得更為黯淡。這一現(xiàn)象是雅典哲學(xué)家亞歷山大在公元約200年率先發(fā)現(xiàn)，因此后人把這條暗帶稱之為“亞歷山大暗帶”。

亞歷山大暗帶的形成：形成虹的光線集中于虹線及其下方，形成霓的光線集中于霓線及其上方，在霓和虹之間的光線達(dá)不到觀察者的眼中，因此中間區(qū)域相對于兩側(cè)顯得更加黯淡。

亞歷山大暗帶

參考文獻(xiàn)

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