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雨后复阳明,水果舞当空虹霓现象的物理本质研究 夏天下雨后，通常会有红色、橙色、绿色、蓝色、竹子和紫色的拱形。通常有两种不同颜色的圆形，其中红色和紫色的被称为“彩虹”，而蓝色和紫色的被称为“蓝色”。人们称之为这种美丽的自然现象为彩虹。自古以来，有许多关于彩虹的神话。这是怎么形成的？为什么总是发生在夏天？为什么会有如此美丽的颜色？为什么虹的颜色比金戒指的颜色更鲜艳？为什么虹是红色的？。 想了解虹霓的物理本质,首先要知道色散的概念、原理及有关知识. 1 光栅的频率和紫外光 让一束白光射到玻璃棱镜上,光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带,其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色,靠近底边的一端是紫色,中间依次是橙黄绿蓝靛(如图1所示),这样的光带叫光谱.在光照到物体上时,一部分光被物体反射,一部分光被物体吸收.如果物体是透明的,还有一部分透过物体.不同物体对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同,因此呈现不同的色彩. 光波都有一定的频率,光的颜色是由光波的频率决定的.在可见光区域,红光频率最小,紫光的频率最大.各种频率的光在真空中传播的速度都相同等于3.0×108m/s.但是不同频率的单色光,在介质中传播时由于受到介质的作用,传播速度都比在真空中的速度小,并且速度的大小互不相同.红光速度大,紫光的速度小.因此此介质对红光的折射率小,对紫光的折率大.当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上,红光发生的偏折最少,它在光谱中处在靠近顶角的一端.紫光的频率大,在介质中的折射率大,在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端. 2 冬与冬、冬、冬 由于夏天常常下雷阵雨,雨后半边天空露出太阳,另外半边却有厚厚的云层,因此当太阳光穿过云层和空气中的小水滴及地面温度较高,蒸发很快,雨后天空还漂浮着水汽和小水滴,就被折射出七彩霓虹,冬天大多是连绵不断的小雨,而且雨后太阳不会立即出现,同时,冬天温度较低,蒸发较慢,雨后天空中不会像夏天那样充满水汽和小水滴,所以冬天不容易出现虹霓. 3 彩虹现象的物理本质 3.1 彩虹现象的原因 3.1.1 射向水球的蓝/六轴结构 在观察者看来,虹出现的位置在以太阳到人眼连线的延长线为视向轴线、视角角度约为42°的圆周上.通常我们只能看到相当于一部分圆周的弓形的虹,它的色序从外到内分别是红、黄、绿、兰、紫色等.如果观察者站得高一些,比如站在电视台高塔上,或者太阳的位置更低一些,更接近地平线,就有可能看到更大范围甚至完整的圆形的彩虹.在雨后,天空中有大量的微小水滴(水球),阳光照在一个小水球上.发生折射和反射,最后折射光线离开小水球后,有相当数量的光线集中于一个小角度范围内,以基本一致的方向射出.我们看到的这些光线较平均光线要强些,并且带有彩色,这就是虹. 每一条射向水球的光线都会在过该光线与球心所决定的平面内折射和反射,这些包含主轴线的平面可以截水球得到方向不同的大圆.对每一个截面大圆,在受到阳光照射的半圆周上的每一点,设光线的入射角为α,折射角为β进入水球的光线经反射后(入射角和反射角均为β),再一次折射(此次入射角为β折射角为α)进入空气中. 由几何关系可以计算出光线经过两次折射和一次反射以后其偏向角: 180°+2α-4β 与水平方向所成的锐角(即观察者沿着阳光的方向观察上述光线的视角)为: 180°-(180°+2α-4β)=4β-2α 式中的α和β角的数值由折射定律sinαsinβ=1.33决定. 虹光路图(见图2)画出了某一条光线在水球(设折射率为1.33)表面和内部经过折射、反射、再折射后偏离原来光线入射方向的情况.可以看出:所有光线经过进入水球的折射,反射和再次折射后,具有不同的光线偏向角,其最小的光线偏向角约为138°.并且,在一定范围内的入射光线的偏向角趋向集中于138°附近,其他的则分散分布于大于138°的范围.光偏向角集中于138°附近的那部分光线以视角约为42°的方向进入观察者的眼中,这就是所谓的虹. 由视角=180°-光线偏向角可知,这些光线都集中在42°以内的范围.除了虹部分外,虹的圈内天空比圈外的天空看上去要亮. 3.1.2 易产生的沉合的蓝水视角 再观察虹霓现象,会发现在虹的圈外又有一个色彩较淡、色序相反的弓形副虹,一般称为霓.它的形成原理如图3所示,是光线经过折射、两次反射、再折射离开水球后形成的.由几何关系,同样可得出其光线偏向角为:360°+2α-6β-180°=180°+2α-6β 与水平方向所成锐角为:360°+2α-6β这就是所谓霓的视角. 经过两次反射过程,最后的光线由于在水球内多反射一次及在水中传播路程的增加引起光线的强度减弱,所以虹比霓颜色鲜亮,简单地说,虹是射在水滴上部的太阳光,经折射后,在水滴内表面上反射一次,再折射出水滴而形成的,而霓则是由射入水滴下半部的太