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。不同頻率的光線進入人眼，我們會看見不同的顏色。 當(dāng)光線行進時在兩不同介質(zhì)的介面上會產(chǎn)生反射或折射的現(xiàn)象 光線行進若遇到不同的介質(zhì)，在兩介質(zhì)的接觸面上會 有部份光線會被反射回原介質(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。 光線行進若遇到不同的介質(zhì)，有部份光線會穿透過去，穿透過的光線會因為在不同的介質(zhì)中會產(chǎn)生速度變化而改變行進的方向。如果光線是由速度快的介質(zhì)進入速度慢的介質(zhì)時，那麼光線會偏向法線，即ab。 如果光線是由速度慢的介質(zhì)進入速度快的介質(zhì)時，那麼光線就會偏離法線，即ab。 不同頻率的光線在介質(zhì)內(nèi)的行進的速度並不相同 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，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，不同頻率的光線會從不同角度折射出來，形成 紅 澄黃 綠藍 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，遇到天空中細(xì)小的水滴時，光線會被折射進入水滴內(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，會第二次遇到水滴與空氣的邊界，大部份的光線會很快又折射出去。而少部份的光線會被反射回水滴內(nèi)，當(dāng)這些光線再次要穿出水滴時，會第三次遇到水滴與空氣的邊界，這時部份被折射出去的光線會形成 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才被折射出去，則會形成霓。因為霓比虹多經(jīng)過了一次的反射 （兩次反射及 兩次折射），所以 霓的光線強度會比虹弱很多。彩虹是因為陽光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內(nèi)亦以不同的角度反射。當(dāng)中以40至42度的反射最為強烈，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時，陽光進入水滴，先折射一次，然後在水滴的背面反射，最後離開水滴時再折射一次。因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，藍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候會見到兩條彩虹同時出現(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。兩次反射最強烈的反射角出現(xiàn)在50至53，所以副虹位置在主虹之外。因為有兩次的反射，副虹的顏色次序跟主虹反轉(zhuǎn)，外側(cè)為藍色，內(nèi)側(cè)為紅色。副虹其實一定跟隨主虹存在，只是因為它的光線強度較低，所以有時不被肉眼察覺而已。彩虹其實並非出現(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，會隨著觀察者而改變。當(dāng)觀察者看到彩虹時，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，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，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。倘若在飛機上，會看見彩虹會是完整的圓形而不是拱形，而圓形彩虹的正中心則是飛機行進的方向。為何彩虹是圓弧形 事實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)我們背對著太陽時，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入我們眼中，會形成以我們的眼睛為頂點的圓錐。我們看到虹、霓的形狀實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。因為同一色光的折射角固定，因此每個人所看到的彩虹仰角皆相同，但是因為每個人所站的位置不同，所以看到的彩虹都不是同一個(不同的水滴所形成)。不同頻率的色光相對於介質(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 不同顏色的光線折射角會不相同 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遇到細(xì)小的水滴時 極少部份的光線會反射回空氣中，大部份光線會折射進入水滴內(nèi)。 由於不同顏色的光線在水滴表面折射時偏向的程度不同， 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，大部份的光線會很快又折射出去， 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， 直到第三次遇到水滴與空氣的邊界。此時大部份被折射出去的光線， 因為經(jīng)過兩次折射不同顏色的光線分得更開， 有可能會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，依然大部份會被折射出去， 如圖中朝上方射出去的光線。 這些光線因為射向天空，因此在地面上的人並無法看到。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90%。 往下方射出的光線有兩處顯得較密，分別對應(yīng)所看到的虹與霓。 光線必須進入眼中才會被我們看見，因此對應(yīng)上圖的情形， 人必須面對右邊， 也就是背對太陽時才有機會看到太陽光所形成的彩虹。 當(dāng)太陽光線平行於地面時，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