彩虹的形成原理

1、彩虹的形成原理為什么彩虹出現(xiàn)的時(shí)候一般有兩條，并且光帶顏色剛好相反？彩虹的形成原理是什么？答：兩條其中一條叫彩虹，另一條叫霓。有時(shí)在虹的外側(cè)還能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫內(nèi)紅。稱為副虹或霓。霓和虹的不同點(diǎn)僅僅大于光線在雨點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生二次內(nèi)反射，因此光線通過雨滴后射到我們眼簾時(shí)，光弧色帶就與虹正好相反。 彩虹，簡(jiǎn)稱虹，一般雨后出現(xiàn)彩虹（一般在早晨或者傍晚出現(xiàn)，很少在中午。夏天向天空噴一口水汽也能容易地生成小彩虹）。 通常說的彩虹一定是紅色在外，紫色在內(nèi)，呈弧形，弧高4042度。這可以通過幾何光學(xué)的折射和反射定律，及地球與太陽(yáng)（別的光源也可以）的關(guān)系解釋，簡(jiǎn)單說就是，太陽(yáng)光線通過大量

2、小球形的水珠時(shí)，發(fā)生折射和反射后到達(dá)人的眼睛，形成了色彩分開的虛像。頻率高的光波折射的程度要大于頻率低的光波，于是彩虹中紅色在外，紫色在內(nèi)，中間有各色光帶。 與彩虹相對(duì)的是“霓”，它也叫副虹，位于“虹”的外圈，一般不出現(xiàn)，或者即使出現(xiàn)亮度和鮮艷程度也不及虹。英文中，與霓對(duì)應(yīng)的是“secondary rainbow”，也稱二級(jí)虹、次級(jí)虹，弧高5254.5度?！澳蕖钡纳收门c虹相反，即外圈是紫色，內(nèi)圈是紅色。霓的成因也與折射和反射有關(guān)，只不過它是二次內(nèi)反射（double 或 twointernal reflections）的結(jié)果（所以亮度減少）。嚴(yán)格說在主虹（即通常的虹）內(nèi)側(cè)，還有復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象

3、，要用到其他其他理論才能解釋。據(jù)說Carl Boyer寫過一本書虹：從神話到數(shù)學(xué)（The RainbowFrom Myth to Mathematics，1959），大概講述人們認(rèn)識(shí)虹的歷史過程。 歷史上關(guān)于虹有大量描寫和論述，好像朱熹就正確地指出過虹的形成與小水珠有關(guān)。在近代科學(xué)史上，笛卡兒（Rene Descartes，1637）和牛頓都專門研究過虹，有精確的解釋。有趣的是，意大利的一位還用現(xiàn)象學(xué)的方法研究過虹，他做了許多現(xiàn)象學(xué)的實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)了幾何光學(xué)關(guān)于虹的幾乎全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他試圖表明，當(dāng)年哥德的顏色理論也許還有用（那作者我忘記了，從網(wǎng)上能夠找到）。 內(nèi)圈為虹，外圈為霓： http:/ww

4、w.jal.cc.il.us/mikolajsawicki/rainbows.htm 虹與霓形成原理圖見： /staff/blynds/rnbw7.gif 反射虹的形成原理圖見： /staff/blynds/rnbw8.gif 關(guān)于月光虹的描述見： /staff/blynds/Mikkelson.html 彩虹是因?yàn)殛?yáng)光射到空中接近圓形的小水滴，造成色散及反射而成。陽(yáng)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

5、42度的反射最為強(qiáng)烈，形成我們所見到的彩虹。形成這種反射時(shí)，陽(yáng)光進(jìn)入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時(shí)再折射一次。因?yàn)樗畬?duì)光有色散的作用，不同波長(zhǎng)的光的折射率有所不同，藍(lán)光的折射角度比紅光大。由于光在水滴內(nèi)被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來(lái)，紅光在最上方，其他顏色在下。 其實(shí)只要空氣中有水滴，而陽(yáng)光正在觀察者的背后以低角度照射，便可能產(chǎn)生可以觀察到的彩虹現(xiàn)象。彩虹最常在下午，雨后剛轉(zhuǎn)天晴時(shí)出現(xiàn)。這時(shí)空氣內(nèi)塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因?yàn)槿杂杏暝贫^暗。而觀察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽(yáng)光，這樣彩虹便會(huì)較容易被看到。另一個(gè)經(jīng)?？梢姷讲屎绲牡胤绞瞧俨几浇Ｔ谇缋实奶鞖?/p>

6、下背對(duì)陽(yáng)光在空中灑水或噴灑水霧，亦可以人工制造彩虹。 空氣里水滴的大小，決定了彩虹的色彩鮮艷程度和寬窄?？諝庵械乃未?，虹就鮮艷，也比較窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比較寬。我們面對(duì)著太陽(yáng)是看不到彩虹的，只有背著太陽(yáng)才能看到彩虹，所以早晨的彩虹出現(xiàn)在西方，黃昏的彩虹總在東方出現(xiàn)?？晌覀兛床灰姡挥谐孙w機(jī)從高空向下看，才能見到。虹的出現(xiàn)與當(dāng)時(shí)天氣變化相聯(lián)系，一般我們從虹出現(xiàn)在天空中的位置可以推測(cè)當(dāng)時(shí)將出現(xiàn)晴天或雨天。東方出現(xiàn)虹時(shí)，本地是不大容易下雨的，而西方出現(xiàn)虹時(shí)，本地下雨的可能性卻很大。 彩虹的明顯程度，取決于空氣中小水滴的大小，小水滴體積越大，形成的彩虹越鮮亮，小水滴體積越小，形成的彩虹就

7、不明顯。一般冬天的氣溫較低，在空中不容易存在小水滴，下雨的機(jī)會(huì)也少，所以冬天一般不會(huì)有彩虹出現(xiàn)。彩虹其實(shí)并非出現(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(lái)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(yáng)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(yáng)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，剛好是觀察者頭部陰影的方向，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(yáng)在空中高于42度時(shí)，彩虹的位置將在地平線以下而看不見。這亦是為什么彩虹很少在中午出現(xiàn)的原因。 彩虹由一端至另

8、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)看見彩虹是原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。參考資料： 晚虹是一種罕見的現(xiàn)象，在月光強(qiáng)烈的晚上可能出現(xiàn)。由于人類視覺在晚間低光線的情況下難以分辨顏色，故此晚虹看起來(lái)好像是全白色的白色彩虹？大家一定沒見過吧，今天就帶你來(lái)領(lǐng)略其風(fēng)采。我們看到的彩虹一般都是七色的，北極的彩虹與一般的彩虹不一樣，是白色的？大自然的鬼斧神工真是讓人驚嘆不已?？粗旅娴膱D片，感覺白色的彩虹更像是通往某個(gè)地方的大門。難道是上諾亞方舟的大門？那白色彩虹形成的原因和普通彩虹一

9、樣嗎？白色的彩虹是因?yàn)槟翘煺檬菢O晝，所以很普通的彩虹不一樣，看到這樣的美景真是幸福！海市蜃樓原理通過課本分析，對(duì)光在空氣中全反射形成的蜃景現(xiàn)象，似乎都清楚了但是當(dāng)看到閱讀材料中，兩種蜃景的光路示意圖，令人感到困惑海市蜃樓中的景物懸在空中是正立的，沙漠里的蜃景物體是倒立的同樣的現(xiàn)象，差異為什么那么大？這個(gè)問題課本分析還顯籠統(tǒng)，必須進(jìn)一步分析    海面上的空氣層各處折射率不同，但是在單位高度上折射率的差異很小，這就決定了海面上的蜃景發(fā)生范圍很大海面上的空氣層越低，溫度越低，密度越大折射率越大空氣層越高，溫度越高，密度越小，折射率越小同一景物上部附近的空氣的折射率，

10、略小于下部附近的空氣層的折射率當(dāng)景物各處發(fā)出的光線射向空氣時(shí)，都越來(lái)越偏離法線方向，進(jìn)入上層空氣的入射角都逐漸增大當(dāng)光線的入射角增大到臨界角時(shí)，就發(fā)生全反射現(xiàn)象但是物體上部發(fā)出的光線，在較高空氣層發(fā)生全反射，物體下部發(fā)出的光線，在比上部略低點(diǎn)空氣層發(fā)生全反射當(dāng)空中全反射的光線射到地面，人們逆著光線看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)方的景物正立懸在空中。        沙漠附近各處空氣的折射率不同，而且在單位高度上折射率的差異略大些這就決定了沙漠里的蜃景，發(fā)生范圍相對(duì)海面上蜃景要小許多越接近沙面空氣層，溫度越高，密度越小，折射率越小離沙面稍高一點(diǎn)的空氣層

11、，溫度越低，密度越大，折射率越大同一景物上下各處空氣層的折射率有差異，上處空氣層折射率大于下層空氣層折射率當(dāng)景物上部發(fā)出光線射向密度較低的空氣中，光線逐漸偏離法線方向，進(jìn)入下層空氣的入射角增大，以至于在觀察者附近發(fā)生全反射景物下部空氣層雖然比上部折射率小，但比沙面處空氣層的折射率大當(dāng)景物下部光線射向沙面處空氣時(shí)，由于光線入射角增大，當(dāng)光線偏離法線后，在景物附近處的空氣層就發(fā)生全反射當(dāng)觀察者逆著光線看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)處物體是倒立的，也往往以為前方有一明亮的水面    通過分析，我們進(jìn)一步明確，海市蜃樓和沙漠里的蜃景都是空氣中的全反射現(xiàn)象表面看起來(lái)景物的像一次是正立的，

12、一次是倒立的，差異很大，而實(shí)際是全反射條件不同造成的可是當(dāng)空氣溫度在垂直變化的反常，并會(huì)導(dǎo)致與通常不同的折射和全反射，這就會(huì)產(chǎn)生海市蜃樓的現(xiàn)象。由于空氣密度反常的具體情況不同，海市蜃樓出現(xiàn)的型式也不同。 在夏季，白晝海水濕度比較低，特別是有冷水流經(jīng)過的海面，水溫更低，下層空氣受水溫更低，下層空氣受水溫影響，較上層空氣為冷，出現(xiàn)下冷上曖的反常現(xiàn)象（正常情況是下曖上涼，平均每隔100米高度，氣溫降低0.50.6 左右）。下層空氣本來(lái)就因氣壓較高，密度較大，現(xiàn)在再加上氣溫又較上層為低，密度就顯得特別大，因此空氣層下密上稀的差別異常顯著。 假使在我們的東方地平線下有一艘輪船，一般情況下是看不到它的。如

13、果由于這時(shí)空氣下密上稀的差異太大了，來(lái)自船舶的光線先由密度的氣層逐漸折射進(jìn)入稀的氣層，并在上層發(fā)生全反射，又折回到下層密的氣層中來(lái)；經(jīng)過這樣彎曲的線路，最后投入我們的眼中，我們就能看到它的像。由于人的視覺總是感到物像是來(lái)自直線方向的，因此我們所看到的輪船映像比實(shí)物是抬高了許多，所以叫做上現(xiàn)蜃景。 我國(guó)渤海中有個(gè)廟島群島，在夏季，白晝海水溫度較低，空氣密度會(huì)出現(xiàn)顯著地下密上稀的差異，在渤海南岸的蓬萊縣（古時(shí)又叫登州），?？煽吹綇R島群島的幻影。宋朝時(shí)候的沈括，在他的名蓍夢(mèng)溪筆談里就有這樣的記載： “登州海中時(shí)有云氣，如宮室臺(tái)觀，城堞人物，車馬冠蓋，歷歷可睹?！?這就是他在蓬萊所看到的上現(xiàn)蜃景。19

14、33年5月22日上午11點(diǎn)多鐘，青島前海（膠州灣外口）竹岔島上也曾發(fā)現(xiàn)過上現(xiàn)蜃景，一時(shí)轟傳全市，很多人前往觀看。1975年在廣東省附近的海面上，曾出現(xiàn)一次延續(xù)6小時(shí)的上現(xiàn)蜃景。 不但夏季在海面上可以看到上現(xiàn)蜃景，在江面有晨也可看到，例如1934年8月2日在南通附近的江面上就現(xiàn)過。那天酷日當(dāng)空，天氣特別熱，午后，突然發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江上空映現(xiàn)出樓臺(tái)城廓和樹木房屋，全部蜃景長(zhǎng)20多里。約半小時(shí)后，向東移動(dòng)，突然消逝。后又出現(xiàn)三山，高聳入云，中間一山，很象香爐；又隔了半小時(shí)，才全部消失。 在沙漠里，白天沙石被太陽(yáng)曬得灼熱，接近沙層的氣溫升高極快。由于空氣不善于傳熱，所以在無(wú)風(fēng)的時(shí)候，空氣上下層間的熱量交換極小

15、，遂使下熱上冷的氣溫垂直差異非常顯著，并導(dǎo)致下層空氣密度反而比上層小的反?，F(xiàn)象。在這種情況下，如果前方有一棵樹，它生長(zhǎng)在比較濕潤(rùn)的一塊地方，這時(shí)由樹梢傾斜向下投射的光線，因?yàn)槭怯擅芏却蟮目諝鈱舆M(jìn)入密度小的空氣層，會(huì)發(fā)生折射。折射光線到了貼近地面熱而稀的空氣層時(shí)，就發(fā)生全反射，光線又由近地面密度小的氣層反射回到上面較密的氣層中來(lái)。這樣，經(jīng)過一條向下向下凹陷的彎曲光線，把樹的影像送到人的眼中，就出現(xiàn)了一棵樹的倒影。 由于倒影位于實(shí)物的下面，所以又叫下現(xiàn)蜃景。這種倒影很容易給予人們以水邊樹影的幻覺，以為遠(yuǎn)處一定是一個(gè)湖。凡是曾在沙漠旅行過的人，大都有類似的經(jīng)歷。拍攝影片登上希夏邦馬峰的一位攝影師，行

16、走在一片廣闊的干枯草原上時(shí)，也曾看見這樣一個(gè)下現(xiàn)蜃景，他朝蜃景的方向跑去，想汲水煮飯。等他跑到那里一看，什么水源也沒有，才發(fā)現(xiàn)是上了蜃景的當(dāng)。這是因?yàn)楦煽莸牟莺蜕匙右粯樱梢员涣胰諘竦脽崂藵L滾，使空氣層的密度從下至上逐漸增大，因而產(chǎn)生下現(xiàn)蜃景。 無(wú)論哪一種海市蜃樓，只能在無(wú)風(fēng)或風(fēng)力極微弱的天氣條件下出現(xiàn)。當(dāng)大風(fēng)一起，引起了上下層空氣的攪動(dòng)混合，上下層空氣密度的差異減小了，光線沒有什么異常折射和全反射，那么所有的幻景就立刻消逝了。柏油馬路因路面顏色深，夏天在灼熱陽(yáng)光下吸收能力強(qiáng)，同樣會(huì)在路面上空形成上層的空氣冷、密度大，而下層空氣熱、密度小的分布特征，所以也會(huì)形成海市蜃樓。光的折射.關(guān)于海市蜃樓的成因，有的學(xué)生提出如下問題：    1 . 大氣在不同高度，密度本來(lái)就是不同的，為什么平時(shí)看不到海市蜃樓。    2. 如果真是象課本上所述的成因，空中的海市蜃樓應(yīng)該與實(shí)物在同一方向，距離也不應(yīng)該