從“彩虹的氣象物理原理”想到的

邱月忠

摘 要： 有關光的折射、反射、色散的實驗，學生在課堂上都做過或看過了，都覺得很平常，但是很少能將它與自然現象中的彩虹、氣象方面的知識聯系起來。

關鍵詞： 彩虹 物理原理 生活 實驗

在大自然中，有很多自然現象與物理相關，與其他學科相關。物理學科教學如何聯系自然現象，聯系生活實際問題，挖掘物理與其他學科的內在聯系，使學生對事物整體及其發展變化過程有一定的認識，了解各學科知識交叉、滲透、融合，拓寬學生思維，對培養學生綜合素質是非常重要的。因此，讓學生學習了光的直線傳播，光的折射、全反射、色散后，再認識彩虹，加深對大氣中的光現象認識，知道物理與氣象的聯系也是很有意義的。

彩虹是人們時常看到的一種自然界的光現象。每當五彩繽紛的彩虹當空高掛時，人們都會情不自禁地爭相觀賞這種大自然美景。古時有人說，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞揮起的彩綢；也有人說，那是仙女為窺視人間在云中搭起的彩橋。不管是彩綢，還是彩橋，都只不過是神奇的傳說罷了。而現實中的彩虹是什么？它是如何形成的呢？一說到彩虹的形成，人們常把它跟“雨后”聯系在一起。很多人認為只有“雨后”才能出現彩虹。其實，這種看法是不全面的。“雨后”天空有時會出現彩虹，這固然是事實，但是在陽光下，噴泉或瀑布的周圍也會出現彩虹；夏天，街上奔跑的灑水車的后面，有時也會出現一段彩虹；用噴霧器在空中噴霧也可形成彩虹。顯然，那種說彩虹僅在“雨后”出現，是對彩虹的成因不十分了解造成的。只要知道空氣中有形成彩虹的條件，自然知道不一定要下雨才有可能出現彩虹。

在中學物理課上，有個“光的色散”實驗：取一個棱鏡，讓一束白光穿過狹縫射到棱鏡的一側面，通過棱鏡后，前進方向改變，在白色光屏上形成彩色光帶，順序是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。這與彩虹的顏色很相似。但是空氣中是不可能有棱鏡片存在又能形成彩虹。這是何故？因為空氣中飄浮有大量的小水滴。當太陽光照射到這些小水滴時，一個個小水滴就像棱鏡似的把白光分解成七種單色光，對陽光起分光色散作用。陽光如何在小水滴中產生分光色散現象？陽光射入小水滴，即從空氣這種媒質進入水這種媒質，發生一次折射，由于構成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長最短，其折射率最大，紅光波長較長，其折射率最小，其余各色光則介乎其間。因此，光線在小水滴內產生分光現象，各色光同時在小水滴繼續傳播，遇到水滴的另一界面時被反射回來，重新經過小水滴內部，出來時再一次發生折射回到空氣中。這樣，陽光在小水滴中進行了兩次折射和一次全反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光。當空氣中的小水滴數量很多時，陽光通過這些小水滴，經過反射和折射作用，射出來的光集中在一起，天空中美麗的彩虹就形成了。

平時，我們看到的多數是一條彩虹，視角（從地面至虹項的角度）約42度。有時在彩虹的外邊還能看到一條顏色順序與這條彩虹恰好相反，且較暗一些的另一條虹，這條叫副虹主虹是內紫外紅，副虹是內紅外紫，副虹又叫霓。霓與主虹為同心的圓弧，兩者之間天空比較暗，虹內、虹外天空比較明亮。霓的視角大約51°。它的成因與主虹基本相同。它是陽光在小雨滴中經過兩次反射、兩次折射而形成的，即折射—全反射—全反射—折射而形成的。在地平面上，我們看到的主虹與霓是半圓形的，那是因為它們下半部分被地面遮住了。若是站在高山頂上，就能看到主虹與霓的大部分。只有在晴朗的天氣時，在飛機艙中向下看，才能看到主虹與霓的全貌，即完整圓環。如果太陽的角度太大，或太小，我們也不易看到虹，又因虹是陽光經小水滴反射進入我們眼睛的，所以彩虹永遠出現在太陽的對面。

主虹為何內紫外紅？我們看虹時，有色的光線依著各種角度從小水滴中反射出來，對于某一質點來講只能把某一種顏色的光線射入我們的眼簾，而從同一雨滴中折射出來的其他有色光或高或低地越過我們的眼簾，不被我們看到。具體而言，在那些能進入我們眼簾的，并經處于最高位置的小水滴，折射的光線中，由于紅光折射率最小，偏向角最小，因此才能進入我們的眼簾，我們看到的只是紅光，其他色光由于折射率大，偏向角也大，都越過我們的頭頂而去。稍低一點的小水滴，也就只能在折射光線中偏向角比紅光大，又比其余色光小的橙色光先進入我們的眼簾，而被我們看到。其余色光中，紅光偏低，黃、綠、藍、靛、紫都偏高，越過我們的眼簾不被我們看到。以此類推，那些進入我們眼簾，并經處于最低一層位置的小水滴折射后的光線，我們只能看到的是紫光，其余色光都從我們眼皮底下溜走。這樣，空中鄰接的小水滴中折射出來的光線形成一條內紫外紅的彩虹。彩虹的氣象原理：空氣里小水滴的大小，決定了彩虹的色彩與寬度。雨滴越大，彩虹帶越窄，色彩越鮮明；雨滴越小，彩虹帶越寬，色彩越黯淡。當雨滴小到一定程度時，分光和反射不明顯，彩虹就消失。說明彩虹的形成直接與空氣中雨滴的存在、多寡、大小有著直接關系，反過來說，彩虹跟天氣變化有關。例如：彩虹的色彩從鮮艷變為暗淡，寬度從狹窄變為寬大，說明空氣中雨滴由大逐漸變小，由此，我們可以推測空氣可能逐漸轉向穩定，天氣情況漸趨穩定。

幾千年來，我國勞動人民在長期生活和生產實踐中，積累并流傳了許多與彩虹相關的看天經驗，并用簡潔語言編成諺語。這些諺語反映了天氣變化的客觀規律，已成為人們推測未來天氣變化的依據之一。例如：“東虹日頭，西虹雨”（或早虹雨，晚虹晴）根據彩虹的出現，推測未來天氣變化情況。虹在西方，說明西邊大氣中有大量雨滴存在，隨著天氣系統東移，本地將會有雨，西虹多出現在早晨；虹在東方，說明東邊大氣中有雨滴存在，天氣系統已經移過本地，天氣即將轉晴，東虹多出現在傍晚。又如“晚虹日頭早虹雨；虹高日頭低，早晚披蓑衣；虹高日頭低，大水沒過溪；斷虹見，風隨見；斷虹早見，風雨即見；虹吃云下一指，云吃虹下一丈”，等等，都是跟彩虹相關的天氣諺語。

總之，物理教學除了注重本學科的知識能力綜合外，還要注意與其他學科的知識交叉、融合，做到知識來源于生活、實驗，又回歸于生活、實驗，回歸于自然，讓學生活學活用，最終為生產勞動服務。“彩虹的氣象物理原理”僅是物理教學中的一個參考例子，旨在拋磚引玉，探討物理教學如何挖掘物理學科與其他學科的內在聯系，適應綜合問題新走向，培養學生的綜合素質。