彩虹的七种基本颜色是怎么形成的?

Question

彩虹的七种基本颜色是怎么形成的?

Answer 1

彩虹是人们时常看到的一种自然界的光现象.每当五彩缤纷的彩虹当空挂时,人们都会情不自禁地争相观赏这种大自然美景.古时有人说,那是寂寞的嫦娥在云端歌舞挥起的彩绸；也有人说,那是仙女为窥视人间在云中搭起的彩桥.不管是彩绸,还是彩桥,都只不过是神奇的传说罢了.而现实中的彩虹是什么?它是如何形成的呢?
一说到彩虹的形成,人们常把它跟.雨后.联系在一起.很多人认为只有.雨后.才能出现彩虹.其实,这种看法是不全面的.雨后.天空有时会出现彩虹,这固然是事实,但是在阳光下,喷泉或瀑布的周围也会出现彩虹；在夏天,街上奔跑的洒水车的后面,有时也会出现一段彩虹；用喷雾器在空中喷雾也可形成彩虹…….显然,那种说彩虹仅在.雨后.出现,是对彩虹的成因还不十分了解造成的.只要知道空气中存在有形成彩虹的条件,就自然知道不一定要下雨才有可能出现彩虹.
在中学物理课上,有个.光的色散.实验：取一个棱镜,让一束白光穿过狭缝射到棱镜的一侧面,通过棱镜后,前进方向改变,在白色光屏上形成彩色光带,顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色.这与彩虹的颜色很相似.但是空气中是不可能有三棱镜存在却又能形成彩虹.这是何故?这是因为空气中飘浮有大量的小水滴.当太阳光照射到这些小水滴上,一个个的小水滴就像棱镜似地把白光分解成七种单色光,对阳光起分光色散作用.
阳光是如何在小水滴中产生分光色散现象?
阳光射入小水滴,即从空气这种媒质进入水这种媒质,发生一次折射,由于构成白光的各种单色光的折射率不同,紫光波长最短,其折射率最大,红光波长较长,其折射率最小,其余各色光则介乎其间.因此,光线在小水滴内产生分光现象,各色光同时在小水滴继续传播,遇到水滴的另一界面时被反射回来,重新经过小水滴内部,出来时再一次发生折射回到空气中.这样,阳光在小水滴中进行了两次折射和一次全反射就被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光.当空气中的小水滴数量很多时,阳光通过这些小水滴,经过反射和折射作用,射出来的光集中在一起,天空中美丽的彩虹就形成了.
平时,我们看到的多数是一条彩虹,视角(从地面至虹顶的角度)约42°.有时在彩虹的外边还能看到一条颜色顺序与这条彩虹恰好相反,且较暗一些的另一条虹,这条叫副虹.主虹是内紫外红,副虹是内红外紫,副虹又叫霓.霓与主虹为同心的圆弧,两者之间天空比较暗,虹内、虹外天空比较明亮.霓的视角大约51°.它的成因与主虹基本相同.它是阳光在小雨滴中经过两次反射和两次折射而形成的,即折射——全反射——全反射——折射而形成的.在地平面上,我们看到的主虹与霓是半圆形的,那是因为它们下半部分被地面遮住了.若是站在高山顶上,就能看到主虹与霓的大部分.只有在晴朗的天气时,在飞机舱中向下看,才能看到主虹与霓的全貌,即完整圆环.
如果太阳的角度太大(例如在中午前后),或太小(近日出或落日),我们也不易看到虹,又因虹是阳光经小水滴反射进入我们眼睛的,所以彩虹永远出现在太阳的对面,因此.朝虹见于西方,夕虹见于东方.其出现以夏季为主.
主虹为何内紫外红
我们看虹时,有色的光线依着各种角度从小水滴中反射出来,对于某一质点来讲只能把某一种颜色的光线射入我们的眼帘,而从同一雨滴中折射出来的其他有色光或高或低地越过我们的眼帘,不被我们所看到.具体而言,在那些能进入我们眼帘的,并经处于最高位置的小水滴,所折射的光线中,由于红光折射率最小,偏向角也最小,所以才能进入我们的眼帘,我们看到的只是红光,其他色光由于折射率大,偏向角也大,都越过我们的头顶而去.稍低一点的小水滴,也就只能是在折射光线中偏向角比红光大,又比其余色光小的橙色光先进入我们的眼帘,而被我们看到.其余色光中,红光偏低,黄、绿、蓝、靛、紫都偏高,越过我们的眼帘不被我们所看到.以此类推,那些进入我们眼帘,并经处于最低一层位置的小水滴折射后的光线,我们只能看到的是紫光,其余色光都从我们眼皮底下溜走.这样,空中邻接的小水滴中折射出来的光线,形成一条内紫外红的彩虹.
彩虹的气象原理
空气里小水滴的大小,决定了彩虹的色彩与宽度.雨滴越大,彩虹带越窄,色彩越鲜明；雨滴越小,彩虹带越宽,色彩越黯淡.当雨滴小到一定程度时,分光和反射不明显,彩虹就消失.这说明了彩虹的形成直接与空气中雨滴的存在、多寡、大小有着直接关系,反过来说,彩虹跟天气变化有关.例如：如果彩虹的色彩从鲜艳变为暗淡,宽度从狭窄变为宽大,都说明空气中雨滴由大逐渐变小,由此,我们可以推测空气可能逐渐转向稳定,天气情况渐趋稳定.
几千年来,我国劳动人民在长期的生活和生产实践中,积累并流传了许多与彩虹相关的看天经验,并用简洁语言编成谚语.这些谚语反映了天气变化的客观规律,已成为人们推测未来天气变化的依据之一.例如“东虹日头、西虹雨” (或早虹雨,晚虹晴)根据彩虹的出现,推测未来天气变化情况.虹在西方,说明西边大气中有大量雨滴存在,随着天气系统东移；本地将会有雨；西虹多出现在早晨.虹在东方,说明东边大气中有雨滴存在,天气系统已经移过本地,天气即将转晴；东虹多出现在傍晚.又如：“晚虹日头早虹雨；虹高日头低,早晚披蓑衣；虹高日头低,大水没过溪；断虹见,风随见；断虹早见,风雨即见；虹吃云下一指,云吃虹下一丈”等等,都是跟彩虹相关的天气谚语.
物理教学除了要注重本学科的知识能力综合外,还要注意与其他学科的知识交叉、融合,做到知识来源于生活、实验,又回于生活、实验,回于自然,让学生活学活用,最终为生产劳动服务.“彩虹的气象物理原理”是物理教学中的一个参考例子,诣在抛砖引玉,探讨物理教学如何挖掘物理学科与其他学科的内在联系,适应综合问题新走向,培养学生的综合素质.