彩虹中的物理現象研究

孫瑨

摘 要：雨后的天空中經常會出現色彩鮮艷的彩虹，它的形成曾使人們感到困擾。從遙遠的殷商時代開始，我國就出現了虹的象形文字，之后的各個朝代，都有對彩虹的描述，包括彩虹的產生、彩虹的位置以及人造彩虹的出現。西方對于彩虹的研究從亞里士多德開始，歷經費馬、笛卡爾、牛頓等人，通過理論的研究以及實驗的探索大致上解決了有關彩虹的一些問題，包括彩虹產生的機理以及彩虹的顏色。隨著時代的發展，人們對于彩虹的認識也越來越深刻，彩虹對于人們來說也不再神秘。本文將站在前人研究的基礎上，從物理的角度出發，通過光的折射原理來分析彩虹中的物理現象。

關鍵詞：彩虹 物理 光折射

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-01

一、引言

彩虹是光學中的一種自然現象，是太陽光經過水珠后發生一系列的折射和反射后生成的。因為水珠對于不同顏色的光有著不同的折射率，使得太陽光產生了色散。雨過天晴，空氣中充滿了細小的雨滴，這些雨滴可以看成球狀水珠，如果太陽光以一定的角度射入水珠，將會在在水珠內發生一系列的折射和反射過程，然后從水珠內射出，因為不同顏色的光的折射率不同，于是太陽光便在色散的作用下生成了各種其他顏色的光，這就是彩虹。以上的彩虹是太陽光在水珠內產生兩次折射和一次反射形成的，假若太陽光在水珠內產生了兩次折射和兩次反射，然后從水珠射出，這樣形成的彩色光帶我們稱之為副虹，也就是霓虹。

二、彩虹光折射的呈現原理

彩虹并不是一種常見的光學現象，只有滿足一定的氣象條件時，它才會出現在我們的視線之中。雨后晴朗的天空中，空氣中雨滴多塵少，太陽光以一定的角度射入空氣中的雨滴，觀察者背對太陽，以一定的角度仰視天空，才能夠觀察到美麗的彩虹。彩虹是陽光通過雨滴的反射和折射形成的，因為雨滴是不間斷下落的，總有后面的雨滴補到之前雨滴的位置，產生相同效果的折射與反射，由于人眼的視覺暫留，前一個雨滴產生的視覺效果還沒消散又有后面的雨滴補上，所以我們看到的彩虹是連續不斷的。彩虹的形成后的模樣與空氣中雨滴的大小息息相關。雨滴愈大，彩虹的顏色便顯得愈發明亮，彩虹卻顯得愈加狹窄；反之，雨滴愈小，彩虹的顏色便顯得愈發晦暗，彩虹卻顯得愈加寬闊。但當雨滴小到支撐不了它對太陽光進行色散、反射、折射這一系列過程時，彩虹便消散不可見了。又因為彩虹是“日照雨”形成的，所以它總是存在與太陽的對面。觀察者只有背對太陽才能觀察到美麗的彩虹！

三、彩虹的顏色形成分析

現在流行的說法是彩虹是由赤橙紅綠青藍紫這七種顏色構成的，其實不然，彩虹是經過水滴折射后產生的連續可見光譜。彩虹就是太陽光色散后產生的現象，雨后的天空中的充滿了太陽光色散的介質——雨滴。這些雨滴將太陽光色散成人眼可以觀察到的可見光——波長在400 納米到700 納米之間的電磁波，但是這些可見光只是占據了整個電磁波譜的極小的一部分。

由于不同顏色的光的波長不同，導致水對于不同顏色的光的折射率也不盡相同。相對于水對紅色光的折射率而言，水對于紫色光的折射率要顯得更大一些。對于主虹而言，不同顏色的光經過水珠折射后與光軸形成的夾角也不同，其中紅光為42.22°，紫光為40.94°，因此，紅光在上，紫光在下。

四、副虹的形成

前文分析的彩虹都是主虹，在主虹的上方有時候還可以觀察到副虹，也就是常說的霓虹。事實上，副虹和主虹是一起存在的，只不過由于副虹的顯得更加黯淡，人們不太容易注意到。生成副虹的機理相對于主虹來說要顯得更為復雜。主虹是太陽光在水珠內經過兩次折射和一次內反射的產物，而副虹則比主虹多了一次內反射的過程，這也導致了霓的顏色與虹的顏色恰好順序相反。實際情況是，光線從水珠的上半部分射入時也同樣形成了副虹，只是光線在水珠內經過兩次折射和兩次內反射后形成的出射光線飛向了空中，并沒有落回地面，所以我們能夠在空中觀察到這樣的副虹。光的折射和反射都要消耗能量，相較于主虹只經過了一次內反射而言，經過兩次內反射后形成的副虹顏色自然會顯得黯淡[13]。因此，虹常有，而霓不常有，就是這個緣故。

五、亞歷山大暗帶

亞歷山大暗帶是指一種和彩虹結合在一起的光學現象，簡單的說就是兩條彩虹中間的區域亮度相較于外部而言顯得更為黯淡。這一現象是雅典哲學家亞歷山大在公元約200年率先發現，因此后人把這條暗帶稱之為“亞歷山大暗帶”。

亞歷山大暗帶的形成：形成虹的光線集中于虹線及其下方，形成霓的光線集中于霓線及其上方，在霓和虹之間的光線達不到觀察者的眼中，因此中間區域相對于兩側顯得更加黯淡。

亞歷山大暗帶

參考文獻

[1]宮彥軍，王喜昌，宋東草，于文英，董維義.折射定律與反射定律的推導[J].物理實驗，2005（2）：41～43

[2]王曉明.基礎光學中的幾何光學[J].中學生課程輔導（數學研究），2015（13）：99～99

[3]周平，淺談虹現象及虹的成因[J].學術探討，2013（10）：48～48

[4]張文慧，張協成.虹的幾何光學原理初探[J].物理數學，2008，30（9）：23～25

[5]（日） 久保日廣著，劉瑞祥譯，王國強校，波動光學，科學出版社.（1983），438，439.