2021全国科普日——彩虹的形状为什么是一个完整的圆环呢?

浏览:3242   发布时间: 09月13日



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彩虹

简称为“虹”

是一种光学现象

那你有没有想过 彩虹到底是什么形状的呢?



当太阳光照射到空气中的水滴时,光线被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,一般为雨后常见。我们从地面上看,彩虹是一个拱形,但实际上它是一个完整的圆环,这是为什么呢?


彩虹形成的基本条件水汽太阳光。下过雨后,空气湿度较大,空气中的水汽可以看做是无数个小水滴。小水珠在空气中基本是个球形,它不管怎么翻过来滚过去,在空间中形状始终不变。当太阳光射入小水滴时,会发生两次折射和一次反射,即“折射—反射—折射”现象。照射到小水珠上不同部位的太阳光会产生不同的折射与反射路径。

但不同角度的光线并不任意发散,而是似乎集中在某一个角度附近,这个角度在42度左右


虽然棱镜分解太阳光时,每种颜色只被折射到一个固定的角度。但对于水珠,某种颜色的光会沿着0到42度的任意角度出来,只不过在42度附近亮度最大


我们可以想象一下,当我们拿着一粒水珠在太阳光中移动时,我们的视线和太阳光之间的夹角逐渐增加。


当夹角接近42度时,水珠变成明亮的紫色;


继续增加这个角度,水珠的颜色逐渐向红色方向变化;


等超过了可见光的范围,水珠又会变成昏暗的。


所以当天空中布满了水珠时,有一部分水珠会把太阳光折射反射再折射到我们的眼中,根据水珠与太阳光以及我们眼睛的相对角度,每个水珠呈现出一种颜色。凡是相对于观察者处于相同出射角,也就是说呈现相同颜色的,都处于同一个圆上(确切说是同一个锥面上)。


对观察者来说,相同折射角的水珠都处于一个圆面上,而相同折射角呈现的颜色相同,因而看到的相同颜色也是一个圆。这就是为什么说彩虹是圆的原因。

我们为什么看到的是个圆弧形呢?


这是因为另一半彩虹被地面挡住了。


地球的表面是一个曲面,雨后空气中的水汽也会按照地球的曲面分布,但身处地球之外看到的彩虹,应当是完整的圆环形状。这种情形有时在飞机上可以看到。


本文由中国人民大学附属中学第二分校一级教师

王和意进行科学性把关。



文章来源:新华网科普

【来源:沧州科协】

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