彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

 2022-04-04 09:00:54    242  

炎热的夏季,一场大雨,天空开始放晴后,我们经常会发现天空出现了一条弯弯的、连续的彩色光带,也就是咱们俗称的“彩虹”。

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

就如为什么天空是蓝色的一样,人们对于日常生活中司空见惯的现象,很少会主动发出疑问。但话又说回来了,天空蓝色是由于大气分子对光的散射作用,那么彩虹为何弯曲,又为何拥有七彩颜色呢?

透过现象看本质,彩虹这种现象很明显属于光学现象,因此想要解释这种现象的成因,必定离不开光及其传播性质。因此咱们接下来就来详细的谈一谈这个问题。

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

从牛顿利用三棱镜发现太阳光是复合光(能分解出多种单色光),而彩虹的颜色正好对应着太阳光色散后的多种颜色,因此彩虹的形成应该离不开一个被称为“折射”的过程。科学家们发现,天空中的小水珠恰好起到了这个折射作用(这也是为什么彩虹比较容易出现的雨后的晴天)。

因此咱们先从单个小水珠出发,见下图

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

图中的圆圈代表一个小水珠,而实线则代表光线。从入射光开始,当光线穿过水珠表面时,会出现折射现象(也会有一部分被反射走),我们会发现光线的方向发生了偏折,而这个偏折的角度可以由明确的物理定律给出(与折射率有关)。

当第一次折射完成后,光线继续在水珠内传播,当第二次遇到水珠边缘时,就会出现反射的现象(也有一部分被折射出去,全反射除外);而反射后的光线最后会第三次碰到水珠边缘,此时光线又会出现第二次的情况,一部分反射、一部分折射。因为最终我们能看将彩虹,因此我们需要研究的是光线在水珠内经历折射、反射、再折射的过程

既然牛顿的色散实验告诉我们太阳光是复合光,那么一束光线入射小水珠时,我们就可以研究其中的一种单色光的行为,因为水珠内对不同单色光的折射率是不一致的,因此先研究一种单色光,比较方便。

比如咱们先从红光开始,因为不可能只有一个光子进入水珠,而是无数条平行红光会入射水珠,所以水珠的一面上的各点都在发生折射,而由于各点入射角的差异,导致最后光线从水珠出来时,光线的密集程度也不一样,即强度不一致(可以见下面的动图

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

我们发现,在其中一个角度上,光线是较为密集的(强度大),所以这个角度上的光就最容易被感知。那么这个角度是怎么得来的呢?(或者说那里光线比较密集是怎么发现的)

第一种方法就是画图,但为了准确就需要画出非常多的光线,并且最后也只能给出一个模糊的范围。因此,咱们就采用最精确的数学计算,从几何关系咱们可以得到一些角度之间的函数方程和图案,最后发现,如果是红色光,那么光线密集处就集中在42.5度附近(前一幅图中的γ角)

然而还有一点是动图所没有给出的,就是立体性

因为动图给出的是二维画面,但实际上水珠是球形立体的,因此可以想象当光线照射水珠时,最后出来的光线应该是向四周散去,而其中光线最为密集的就形成了一个近似光锥的形状(见下图)

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

只要人眼处于这个光锥面上的任意一点,都可以看到水珠折射出的红光。可以想象,当天空中小水珠比较充足且均匀时,各个小水珠都可以成为折射光源,但由于咱们人只有一个,且只能处于空间中指定的一点,因此人只能处于一部分角度恰当的水珠光锥面上。

在这个光锥面上的每一个小水珠都成了彩虹的一分子,但我们无法分辨出各个小水珠离咱们的距离,但由于处在一个光锥面(也就是角度相同),因此最后给我们的感觉就是在天空中某个距离的平面上形成了一条弯曲的光带,这就是彩虹为什么是弯的原因

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

但上图这样的彩虹应该是不可能出现的,彩虹的侧面是不存在的,从上面的解释可以看出,我们只能从彩虹的正前方观看。

但上面只说了单色红光的情况,那么彩虹中其它颜色的光又是怎么样的呢?又是怎样按照红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫 的顺序排列出的呢?

在之前那个小水珠的图上,我们看到了α、β、γ三个代表角度的字母,其中α是光线最后偏折的角度,β是入射角,γ是180度减去α后剩下的角度,这个角度代表着该方向的光线将被人眼观测到。

由于各单色光的在水珠中的折射率不一致,因此最后形成的γ角也不一致,其中红色光最大,约42.5度,而蓝紫光在41度左右。由于角度的不一致,进而导致彩虹的颜色由上而下依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等等。

于是乎,彩虹为什么是弯的,色彩的由来等就这样被光学规律明确的解释了。

彩虹为什么是弧形(彩虹形成的原理光路图)

最后还要告诉大家一点就是,由于每个人站的空间位置都是不一致的,那么发出彩虹颜色的小水珠也都不相同,因此每个人看到的彩虹都是独一无二的,每个人都有属于他自己的彩虹

本篇文章的内容到此结束。

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