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2018-05-19

彩虹(rainbow)是怎么形成的?为什么是圆弧状的

彩虹(rainbow)是怎么形成的?为什么是圆弧状的


海贼王里面四皇大妈背后的彩虹

(海贼王里面“四皇”大妈背后的彩虹)

众所周知彩虹与光的色散有关。彩虹是阳光在空气中的小水滴经折射和反射形成的。

具体情况如下图

彩虹(rainbow)是怎么形成的?为什么是圆弧状的

以小水滴的某个截面作为参考,入射光在水和空气两种介质中的折射率不同,我们可以发现,尽管入射光是均匀的,但由于入射水滴的位置不同,则入射角不同,于是导致了不同的偏折情况,即出射光线方向各不相同。

尽管如此,我们可以看到在某条光线附近的光线出射后的角度相差很小,即图上所示出射光线密集的地方,在这条光线附近接受的光强最大,我们平时看到的彩虹便源于此,故这条光线被称为彩虹线而偏折的角度被称为彩虹角。红光的彩虹角约为42°,而蓝光则稍小一些,这也是彩虹中红圈总在蓝圈外的原因。

假设太阳光是平行入射的,那么在无数条彩虹线中最终能到达我们眼睛的那部分的集合必是一个圆锥面。

情况如下图

彩虹(rainbow)是怎么形成的?为什么是圆弧状的

这就是为什么我们平时看到的彩虹都有近似圆弧形状的原因了。所以彩虹也只有在背对着太阳的情况下才能看到,而且由于我们总是站在地面观察彩虹,所以本该看到彩虹的下半部分被地面截断,只能看到大概半圈。

但是如果太阳高度合适,人又处于高空中的话,那么将有机会看到彩虹完全体。至于有时“虹”外有时出现的那圈颜色次序颠倒的“霓”,原理与“虹”大致相同,由于是光在水滴中经历两次反射形成的,所以更为暗淡。

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