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彩虹的形成是什么 彩虹的形成是什么原理
更新时间: 2024-05-15 16:54:42

  导语:彩虹的形成是什么?彩虹是阳光照射在水滴上反射、折射、内反射后形成的光学现象,而且当太阳光照射到水滴上,光线会发生折射、总反射和色散,最终形成了我们看到的七彩霓虹,那么大家知道彩虹的形成是什么原理吗?下面就去了解一下吧!

  彩虹的形成是什么

  大气中最壮观最知名的光学现象可能非彩虹莫属。地面的观察者会看到彩虹像一道拱形的彩色条带穿过广阔的天空。虽然每道彩虹的颜色深浅清晰程度不同,但观察者通常能够看到相当清楚的6种颜色组成的色带。最外面的是红色,然后依次是橙色、黄色、绿色、蓝色,最后是紫色。当太阳在你身后、雨滴在你前面时,你就可以看到这一壮观的彩色景观。有时瀑布或草地喷灌器产生的细小雾状水滴也能形成小型彩虹。我们回顾一下有关折射的知识以便理解雨滴是如何将太阳光变成彩虹的。当光线倾斜着从空气进入水时其传播速度变慢而产生折射(改变方向)。

  此外,每种颜色的光在水中的传播速度是不一样的,因此,每种颜色的光线弯曲角度就会有微小的差别。紫颜色的光传播最慢折射最大,而红光传播最快,其弯曲得最小。因此,当太阳光(由所有颜色组成)进入水时,折射按各自的速度将各种颜色的光分开。17世纪科学家艾萨克·牛顿爵士用一个三角棱镜演示了色彩分离。光线穿过三角棱镜要经过两次折射——当光线从空气进入棱镜后再离开棱镜进入空气。牛顿注意到,当光线被棱镜折射两次时,太阳光线会相当显著地分离成各个颜色分量。

  我们把这种折射引起的色彩分离称为色散,彩虹的产生是因为水滴有类似棱镜的作用,可以将太阳光分散成多色光谱。当太阳光进入水滴时就被折射,紫色光弯曲最大而红色光弯曲最小;然后当光线到达水滴的另一边时在水滴内被反射回来并从水滴的一边离开水滴。在离开水滴时再一次折射使色散量增大几乎使颜色完全分离。入射光线和组成彩虹各种颜色光线之间的角度红光是42°,紫光是40°,其他颜色——橙色、黄色、绿色和蓝色的分散角度介于这一范围之间。虽然每个水雨滴分散所有颜色的光谱,但一个观察者从任何一个单个雨滴只能看到一种颜色。比如,红光从一个特定的水滴到达观察者的眼睛,那么来自从同一个水滴的紫色光只被处在不同位置另一观察者看到。

  其结果是,每个观察者只能看到他或她“自己的”彩虹,它们是由不同的水滴组和不同的光线所形成的。实际上,一个彩虹是通过太阳光线与无数的雨滴相互作用而产生的,每个雨滴就是一个微型棱镜。彩虹之所以成为弯曲的拱形是因为彩虹的光线总是以与太阳光路径约42°的角度到达观察者,所以我们就看到一个42°的彩色半圆穿过天空,这就是我们所看到的彩虹的弧形。如果太阳高于地平线42°,则地面的观察者就看不到彩虹。在特定条件下,飞机上的乘客或许能看到整个圆形的彩虹。当一个壮观的彩虹出现时,观察者有时还会看到较暗的第二个彩虹。

  这第二个弯弧将出现在比第一个高8°的位置并以更大的弧形穿过天空。第二个彩虹弧的彩色带也要比第一个稍窄些,而且色彩的排列顺序是反过来的,红色在最里面而紫色在最外面。第二个彩虹产生的方式与第一个非常相似,其主要差别是它被分离的光线在离开雨滴前要被反射两次。这多出的一次内反射使红色光线的分离角度变为50°(比第一个彩虹的红光约大8°)并且使色彩排列顺序颠倒过来。正是这多出的一次反射也使得第二个彩虹弧相比于第一个彩虹而言更弱。

  彩虹

  每次光线射到雨滴的内表面时,部分光线就会透过反射表面离开水滴,所以这部分光线就“丢失”了,不会再对彩虹的亮度做贡献。虽然第二个彩虹总是会形成的,但它们很少能被看到。人类曾像利用其他光学现象一样利用彩虹来预测天气。一个著名的天气谚语就是一个例子:“东虹日头西虹雨;早虹雨,晚虹晴”这些天气谚语的根据是,中纬度地区的天气系统通常是从西向东移动的。

  记住,观察者需背对太阳面向雨区才能看到彩虹,所以上午看到彩虹时,太阳在观察者的东边,而形成彩虹的云和降水雨滴必须在西边。因此,当我们在上午看到彩虹时,就可以提前预报恶劣天气,因为雨在西边并且正向观察者移动。下午,情况正好相反:雨云在观察者的东边,因而在下午看到彩虹时,雨早已经过去了。虽然这个著名的谚语有它的科学基础,但是有时云中的间隙可以使阳光通过而在下午较晚时形成彩虹。这种情况下,彩虹之后可能很快会有更多降雨。

  彩虹的形成是什么原理

  彩虹的形成原理是:当太阳光照射到半空中的水滴时,光线会发生折射、反射、再折射的光学现象,进而在天空上形成拱形的七彩光谱,且由外圈至内圈呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。

  具体来说,雨后空气中悬浮的水滴作为三棱镜,阳光由七种色光组成,当阳光照射在水滴上时,由于这七种色光的波长不同,它们的偏向角度也会不同,因此太阳光发生色散,被分解为七种单色光。折射后的单色光到达水滴的背面后,会按照反射规律发生反射,反射后的单色光将回到入射水滴的这一面,这时将发生第二次折射,并仍然以单色光的形式射出水滴,最终形成了我们所见的彩虹。

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