还剩5页未读,继续阅读
文本内容:
虹与霓的形成原理虹与霓的形成原理虹是由于太阳光线被大气中的水滴反射和折射而形成的一种自然现象雨过天晴,空气中存在大量的水分,尘粒减少,能见度提高,这时太阳的对面天空中将浮现彩色圆弧,按一定顺序罗列红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色这种圆弧有时能见到两个,红色在外、紫色在内,颜色明艳的叫“虹”,红色在内、紫色在外,颜色较淡的叫“霓”光在球形介质内传播的反射、折射所引起的色散现象,接着讨论霓虹的分布与太阳在天空中位置的关系虹霓是怎么回事呢?从实验测量的角度来说,虹的仰角是度,而42霓则是度;从唯象观察的角度讲,太阳光在水珠50中经过一次全反射的是虹,两次的是霓可见光分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫可见光是电磁波,而且只是电磁波连续光谱中极小的一部份太阳光是各种可见光的混合,呈白色,通过棱镜、水等的反射折射时,浮现色散现象虹和霓就是太阳光通过大量小球形水珠时,通过折射、反射后的色散现象虹()即彩虹,是红色在外,紫色在内霓(rainbow,secondary),也称二级虹霓的色采正好与虹相反,即外圈是rainbow紫色,内圈是红色太阳光在水珠中经过一次全反射的是虹,两次的是霓霓和虹的不同点仅仅在于光线在雨点内产生二次内反射,因此光线通过雨滴后射到我们眼帘时,光弧色带就与虹正好相反、虹的形成1一束平行的太阳光沿图中方向射入空中的一小水滴时,由于折射而进入到水滴中且同时发生色散,一然后经过一次反射再从水滴射出由于红光在水珠中的折射率最小使其出射光线与入射光线成度,42而紫光在水珠中的折射率最大使其折射光线与入射光线成度40人眼按直线追溯射入眼中的光线射来的方向看到偏折较小的红光浮现在“虹”的最外侧,而折射率最大的紫光浮现在“虹”的内侧、霓的形成2当一束太阳光射入一小水滴发生折射而在水滴内发生两次全反射时,折射率小的红光的出射光线方向与入射方向成度折射率
50.6大的紫光的出射方向与入射方向成度人眼根据视觉的直线
53.6特性而将观察到射出水滴后的光线在空中形成外侧成紫色而内侧成红色的彩色分布由于太阳光经过水滴后发生两次反射的情况较发生一次反射的光能量损失不少,于是“霓”的亮度比“虹”的亮度暗得多,故又将其称作副虹,而且副虹位于主虹之上,副虹下面才是主虹江虹中颜色的分布为外红内紫,副虹的颜色分布」为外紫内红人们通常观察到天空中的彩虹主要是主虹而副虹因为太暗普通不容易被人们观察到太阳光在水珠内经过三次、四次反射也可以形成彩带而被称为第三虹、第四虹等,但它们的色采更暗淡,故普通很难看得至U以空气中的弱小水滴作为反射介质为例虹光线在入射水滴的界面时,产生色散;再经过水滴与空气的界面时色散的光线分别各发生一次全反射(反射点的位置有细微差异,但都是连续的),射出时(与原光线的方向向量夹角为钝角)再经过水滴界面,再次色散霓与虹相似,但全反射了两次由于全反射吸收了部份光的能量,所以看起来要比虹暗淡一些,色带方向也与虹相反彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴,造成色散及反射而成阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射之中以至度的反射最为强烈,形成我们所见到的彩虹4042形成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度比红光大由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下其实只要空气中有水滴,而阳光正在观察者的背后以低角度照射,便可能产生可以观察到的彩虹现象彩虹最常在下午,雨后刚转天晴时浮现这时空气内尘埃少而充满小水滴,天空的一边因为仍有雨云而较暗而观察者头上或者暗地里已没有云的遮挡而可见阳光,这样彩虹便会较容易被看到另一个时常可见到彩虹的地方是瀑布附近在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或者喷洒水雾,亦可以人工创造彩虹空气里水滴的大小,决定了彩虹的色采明艳程度和宽窄空气中的水滴大,虹就明艳,也比较窄;反之,水滴小,虹色就淡,也比较宽我们面对着太阳是看不到彩虹的,惟独背着太阳才干看到彩虹,所以早晨的彩虹浮现在西方,黄昏的彩虹总在东方浮现可我们看不见,惟独乘飞机从高空向下看,才干见到虹的浮现与当时天气变化相联系,普通我们从虹浮现在天空中的位置可以猜测当时将浮现晴天或者雨天东方浮现虹时,本地是不大容易下雨的,而西方浮现虹时,本地下雨的可能性却很大冬天的气温较低,在空中不容易存在小水滴,下雨的机会也少,所以冬天普通不会有彩虹出现彩虹其实并非浮现在半空中的特定位置它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随著观察者而改变当观察者看到彩虹时,它的位置必然是在太阳的相反方向彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部阴影的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40至的位置因此当太阳在空中高于度时,彩虹的位置将在4242地平线以下而看不见这亦是为什么彩虹很少在中午出现的原因彩虹由一端至另一端,横跨84°o以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下在飞机上,会看见彩虹是原整的圆形而不是拱形,而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向晚虹是一种罕见的现象,在月光强烈的晚上可能出现由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色,故此晚虹看起来好像是全白色的双彩虹,有时候会见到两条彩虹同时出现,在平常的彩虹外边出现同心,但较暗的副虹(又称霓)副虹是阳光在水滴中经两次反射而成当阳光经过水滴时,它会被折射、反射后再折射出来在水滴内经过一次反射的光,便形成我们常见的彩虹(主虹)若光线在水滴内进行了两次反射,便会产生第二道彩虹(霓)霓的颜色排列次序跟主虹是相反的由于每次反射均会损失一些光能量,因此宽的光亮度亦较弱两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°,所以副虹位置在主虹之外因为有两次的反射,副虹的颜色次序跟主虹反转,外侧为蓝色,内侧为红色副虹其实一定跟随主虹存在,只是因为它的光线强度较低,所以有时不被肉眼察觉而已苏格兰上空的双重彩虹1307年时欧洲已有人提出彩虹是由水滴对阳光的折射及反射而造成笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射他以玻璃球注入水来进行实验,得出水对光的折射指数,用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成,而副虹则是两次反射造成他准确计算出彩虹的角度,但未能解释彩虹的七彩颜色后来牛顿以玻璃菱镜展示把太阳光散射成彩色之后,关于彩虹的形成的光学原理全部被发现彩虹为什么总是弯曲的,原因一光的波长决定光的弯曲程度事实上如果条件合适的话,可以看到整圈圆形的彩虹彩虹的形成是太阳光射向空中的水珠经过折射一反射一折射,后射向我们的眼睛所形成不同颜色的太阳光束经过上述过程形成彩虹的光束与原来光束的偏折角约二度也就是说,若太阳光与地面水180-42138平,则观看彩虹的仰角约为度想象你看着东边的彩虹,太阳42在从暗地里的西边落下白光穿越了大气,向东通过了你的头顶,碰到了从暴风雨落下的水滴当一道光束碰到了水滴,会有两种可能一是光可能直接穿透过去,或者更有趣的是,它可能碰到水滴的前缘,在进入时水滴内部产生弯曲,接着从水滴后端反射回来,再从水滴前端离开,往我们这里折射出来这就是形成彩虹的光光穿越水滴时弯曲的程度,端视光的波长(即颜色)而定一一红色光的弯曲度最大「橙色光与黄色光次之,依此类推,弯曲至少的是紫色光每种颜色各有特定的弯曲角度,阳光中的红色光,折射的角度是度,蓝色光的折射角度惟独度,所以每种颜色在天空4240中浮现的位置都不同若你用一条假想线,连接你的后脑勺和太阳,那末与这条线呈度夹角的地方,就是红色所在的位置这些不42同的位置勾勒出二个弧既然蓝色与假想线只呈度夹角,一所40以彩虹上的蓝弧总是在红色的下面原因二与地球的形状有很大的关系,彩虹之所以为弧型这固然与其形成有着不可分割的关系,同样这也与地球的形状有很大的关系,由于地球表面为一曲面而且还被厚厚的大气所覆盖,在雨后空气中的水含量比平时高,当阳光照射入空气中的小水滴形成了折射,同时由于地球表面的大气层为一弧面从而导致了阳光在表面折射形成为了我们所见到的弧形彩虹讨论上图里的水珠是椭圆形的如果水滴是标准的球形,在水滴和空气的界面上不会发生全反射,因为一束光从空气射入球面,第一次发生折射后到了水球和空气的界面,此时的入射角小于临界角,不会发生全反射,可能是反射率较高的反射事实上水滴的形状是上圆下扁的,因为水滴本身是个流体,按照流体力学原理,一个流体球在空气中自由掉落时,前端受到的压力最大,结果前端被压扁,则后端则保持圆形,结果就成为了馒头形光进入上圆下扁的水滴,第一次是折射厂第二次可以是全反射,一第三次再折射出来形成虹“太阳光水平射向一水珠,光线经两次折射和一次全反射后射出水珠,霓的形成经过了二次折射和二次全反射”摘录,“光线折射进入水珠——若干次反射——折射出水珠固然中间的若干次反射并不彻底,每次都惟独一部份能量反射,另一部份确实是通过折射损失了所以普通情况下只反射一次为虹「两次为霓,次薮再多就什么也看不到了上次看过一张照片有反射三次的,无非非常淡而且画一下图,标准圆的水珠,会发现全反射是不可能的,因为前一次折射/反射的出射角等于后一次折射/反射的入射角,那末后面每一次都会有折射发生”“虹与霓是由雨滴对日光的折射、色散和全反射的综合效应产生的.在合适的观察条件下可以看到两个弓形,里面的叫做虹,外面的叫做霓里面的虹比较璀璨,它的外侧为红色,内侧为紫色;而外面的霓则颜色较淡,其颜色次序恰好与虹相反”。