彩虹的形成.doc

彩虹的形成要想瞭解彩虹是如何形成的，首先要知道色散 太陽所發(fā)出的光包含有各種不同顏色的光線 太陽光其實(shí)包含有各種不同頻率的光(或者稱為電磁波)。其中只有頻率在3.901014Hz7.891014Hz(及波長約在770nm380nm之間)的電磁波是人眼可見的，我們稱為可見光。不同頻率的光線進(jìn)入人眼，我們會(huì)看見不同的顏色。 當(dāng)光線行進(jìn)時(shí)在兩不同介質(zhì)的介面上會(huì)產(chǎn)生反射或折射的現(xiàn)象 光線行進(jìn)若遇到不同的介質(zhì)，在兩介質(zhì)的接觸面上會(huì) 有部份光線會(huì)被反射回原介質(zhì)。反射的光線一定滿足反射定律（入射角等於反射角），即a=b。 光線行進(jìn)若遇到不同的介質(zhì)，有部份光線會(huì)穿透過去，穿透過的光線會(huì)因?yàn)樵诓煌慕橘|(zhì)中會(huì)產(chǎn)生速度變化而改變行進(jìn)的方向。如果光線是由速度快的介質(zhì)進(jìn)入速度慢的介質(zhì)時(shí)，那麼光線會(huì)偏向法線，即ab。 如果光線是由速度慢的介質(zhì)進(jìn)入速度快的介質(zhì)時(shí)，那麼光線就會(huì)偏離法線，即ab。 不同頻率的光線在介質(zhì)內(nèi)的行進(jìn)的速度並不相同 不同頻率的光線(或稱不同顏色的色光)在介質(zhì)內(nèi)的行進(jìn)速度並不相同，因此當(dāng)光線在兩介質(zhì)的介面上發(fā)生折射時(shí)，不同頻率的光線折射角便不相同。於是由許多種不同頻率光線所組成的陽光在發(fā)生折射時(shí)，不同頻率的光線會(huì)從不同角度折射出來，形成 紅 澄黃 綠藍(lán) 靛 紫 等彩色的條紋，我們說光線發(fā)生色散了。虹與霓的形成當(dāng)太陽光在天空行進(jìn)，遇到天空中細(xì)小的水滴時(shí)，光線會(huì)被折射進(jìn)入水滴內(nèi)，由於不同顏色的光線折射的角度不同，於是水滴內(nèi)不同顏色的光線便被分開了。當(dāng)光線要由水滴內(nèi)穿出時(shí)，會(huì)第二次遇到水滴與空氣的邊界，大部份的光線會(huì)很快又折射出去。而少部份的光線會(huì)被反射回水滴內(nèi)，當(dāng)這些光線再次要穿出水滴時(shí)，會(huì)第三次遇到水滴與空氣的邊界，這時(shí)部份被折射出去的光線會(huì)形成 虹，所以說 虹 在水滴中經(jīng)過了 一次反射 及兩次折射。而少部份又被反射的光線，在第四次遇到水滴與空氣的邊界時(shí)才被折射出去，則會(huì)形成霓。因?yàn)槟薇群缍嘟?jīng)過了一次的反射 （兩次反射及 兩次折射），所以 霓的光線強(qiáng)度會(huì)比虹弱很多。彩虹是因?yàn)殛柟馍涞娇罩薪咏蛐蔚男∷?，造成色散及反射而成。陽光射入水滴時(shí)會(huì)同時(shí)以不同角度入射，在水滴內(nèi)亦以不同的角度反射。當(dāng)中以40至42度的反射最為強(qiáng)烈，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時(shí)，陽光進(jìn)入水滴，先折射一次，然後在水滴的背面反射，最後離開水滴時(shí)再折射一次。因?yàn)樗畬?duì)光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，藍(lán)光的折射角度比紅光大。由於光在水滴內(nèi)被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其他顏色在下很多時(shí)候會(huì)見到兩條彩虹同時(shí)出現(xiàn)，在平常的彩虹外邊出現(xiàn)同心，但較暗的副虹(又稱霓)。副虹是陽光在水滴中經(jīng)兩次反射而成。兩次反射最強(qiáng)烈的反射角出現(xiàn)在50至53，所以副虹位置在主虹之外。因?yàn)橛袃纱蔚姆瓷?，副虹的顏色次序跟主虹反轉(zhuǎn)，外側(cè)為藍(lán)色，內(nèi)側(cè)為紅色。副虹其實(shí)一定跟隨主虹存在，只是因?yàn)樗墓饩€強(qiáng)度較低，所以有時(shí)不被肉眼察覺而已。彩虹其實(shí)並非出現(xiàn)在半空中的特定位置。它是觀察者看見的一種光學(xué)現(xiàn)象，彩虹看起來的所在位置，會(huì)隨著觀察者而改變。當(dāng)觀察者看到彩虹時(shí)，它的位置必定是在太陽的相反方向。彩虹的拱以內(nèi)的中央，其實(shí)是被水滴反射，放大了的太陽影像。所以彩虹以內(nèi)的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，剛好是觀察者頭部影子的方向，虹的本身則在觀察者頭部的影子與眼睛一線以上40至42的位置。因此當(dāng)太陽在空中高於42度時(shí)，彩虹的位置將在地平線以下而不可見。這亦是為甚麼彩虹很少在中午出現(xiàn)的原因。彩虹由一端至另一端，橫跨84。以一般的35mm照相機(jī)，需要焦距為19mm以下的廣角鏡頭才可以用單格把整條彩虹拍下。倘若在飛機(jī)上，會(huì)看見彩虹會(huì)是完整的圓形而不是拱形，而圓形彩虹的正中心則是飛機(jī)行進(jìn)的方向。為何彩虹是圓弧形 事實(shí)上如果條件正確的話，可以看到整圈圓形的彩虹。 由 彩虹的原理 動(dòng)畫中，已經(jīng)知道彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠 經(jīng)過 折射反射折射 後射向我們的眼睛所形成。 不同顏色的太陽光束 經(jīng)過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約 180 - 42 = 138度。 也就是說，若太陽光與地面水平，則觀看彩虹的仰角約為 42度。通常剛下過雨後，天空佈滿小水滴，當(dāng)我們背對(duì)著太陽時(shí)，我們很容易看到虹(仰角 42o 附近，紅色在上），但霓（在仰角50o 附近，紅色在下）則較不容易觀察到。光線經(jīng)過小水滴折射、反射後進(jìn)入人眼，不同的水滴將光線折射至不同方向，所以人眼是從不同水珠看到不同的色光，數(shù)百萬顆的水珠聚集在一起，所以我們可以看到一個(gè)完整的彩虹，如圖所示。太陽光經(jīng)空氣中的小水滴折反射而進(jìn)入我們眼中，會(huì)形成以我們的眼睛為頂點(diǎn)的圓錐。我們看到虹、霓的形狀實(shí)際上是一圓錐的一部分(剩下部分被地平線阻擋)，此圓錐的中心軸平行於太陽光且通過我們的眼睛，所以看起來是虹與霓均為圓弧形。因?yàn)橥簧獾恼凵浣枪潭?，因此每個(gè)人所看到的彩虹仰角皆相同，但是因?yàn)槊總€(gè)人所站的位置不同，所以看到的彩虹都不是同一個(gè)(不同的水滴所形成)。不同頻率的色光相對(duì)於介質(zhì)的射率並不相同， 太陽光本身包含有不同顏色（頻率）的色光 因此太陽光產(chǎn)生折射時(shí) 不同顏色的光線折射角會(huì)不相同 而分開 於是形成色散現(xiàn)象，如右圖！ 大自然中偶而見到的彩虹便是色散最美好的例證。 如下圖，當(dāng)太陽所在天空中行進(jìn)遇到細(xì)小的水滴時(shí) 極少部份的光線會(huì)反射回空氣中，大部份光線會(huì)折射進(jìn)入水滴內(nèi)。 由於不同顏色的光線在水滴表面折射時(shí)偏向的程度不同， 於是水滴內(nèi)不同顏色的光線便被稍微分開。當(dāng)光線第二次遇到水滴與空氣的邊界時(shí)，大部份的光線會(huì)很快又折射出去， 如上圖中往右下方折射出去的光線。少部份的光線則產(chǎn)生反射繼續(xù)在水滴內(nèi)直線行進(jìn)， 直到第三次遇到水滴與空氣的邊界。此時(shí)大部份被折射出去的光線， 因?yàn)榻?jīng)過兩次折射不同顏色的光線分得更開， 有可能會(huì)形成我們所看到的虹（如圖中往下方射出的光線）。至於少部份又被反射回水滴內(nèi)的光線， 第四次遇到水滴與空氣的邊界時(shí)，依然大部份會(huì)被折射出去， 如圖中朝上方射出去的光線。 這些光線因?yàn)樯湎蛱炜眨虼嗽诘孛嫔系娜藖K無法看到。但是另一束從水滴下方射入的光線，經(jīng)過折射-反射-反射-折射的歷程後便會(huì)射向地面。 這些分散的光束很可能形成所看到的霓。 上圖將平行射向水滴光束所有紅色光束在水滴內(nèi)前三次折射的光徑合併在一起。 射向圖形右邊第一次折射出去的光線約佔(zhàn)90%。 往下方射出的光線有兩處顯得較密，分別對(duì)應(yīng)所看到的虹與霓。 光線必須進(jìn)入眼中才會(huì)被我們看見，因此對(duì)應(yīng)上圖的情形， 人必須面對(duì)右邊， 也就是背對(duì)太陽時(shí)才有機(jī)會(huì)看到太陽光所形成的彩虹。 當(dāng)太陽光線平行於地面時(shí)，可以在仰角40-42附近看到虹， 更微弱的霓則可能在仰角51-54附近