彩虹为什么是弧形,彩虹为啥是弧形

彩虹是一种特殊的视觉效果,当太阳光照射向空中的近似圆形的水滴时,由于不同颜色光在水中的折射率不同,光线经水滴的折射、反射、再折射后就呈现七彩颜色进入人的视线,就形成了彩虹。我们只有在背对太阳的时候,才能看见彩虹。

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彩虹形成原理

但是原理真的只有这么简单吗,当然不是的,有两个疑问还无法得到解释。

第一个疑问:照射进水珠的光线有无数道,这无数道光线以不同入射角度进入水珠,每道光线都会色散出七种不同颜色的光,然后以不同的出射角度离开水珠,那么这些不同角度的光为什么没有重新汇聚成白光呢?

第二个疑问:为什么彩虹会是弧形的?

为了解释这两个问题,我们要先了解入射角α、入射光线和射出光线的夹角θ 的关系

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入射角α、入射光线和射出光线的夹角θ的示意图

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入射角α、入射光线和射出光线的夹角θ的曲线关系

上图横坐标为入射角度,纵坐标为入射光线和射出光线的夹角。以红光和紫光为例,我们可以看出当入射角在一段较大范围内的时候,红色光的入射光线和射出光线的夹角基本保持在42°左右,紫色光的入射光线和射出光线的夹角基本保持在40°左右。说明入射光线和射出光线的夹角在42°左右的时候,射出的红光较为密集,入射光线和射出光线的夹角在40°左右的时候,射出的紫光较为密集。根据上述信息,我们可以得出以下结论:

当太阳光线和射入人眼的光线夹角θ在40°~42°时,这范围内的某个角度会有一种颜色光的密度特别大,以至于不会被重新聚合成白光,这种颜色的光就能被人眼所看到。所以人眼能看到什么颜色的光主要取决于太阳光线和射入人眼的光线的角度。

那么为什么彩虹会是弧形的呢?

这其实就类似于一个圆锥模型,我们以人眼为圆锥顶点,圆锥的高度为太阳光的方向,圆锥的斜面线为射入人眼的光线,我们都知道圆锥的任意一条斜面线与圆锥的高度夹角都是相同的,那么只有当彩虹符合圆锥底面的圆弧形状时才能保证太阳光线和射入人眼的光线的夹角一致。这就是彩虹为什么是弧形的原因了。(问:为啥看到的彩虹形状不是整个圆?答:因为有一部分被地面挡住了)

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圆锥模型

由于太阳光线和射入人眼的光线夹角在42°左右时看见的为红光,40°左右时看见的为紫光,根据圆锥模型,就可以简单判断出紫色层应位于红色层的下层,所以彩虹由外至内的排列顺序分别为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

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彩虹颜色排布

最后我们再简单说下霓的形成原理:

太阳光照射向空中的近似圆形的水滴时,某些角度的光可以折射两次,反射两次,并且也存在光线密集的角度,分别为红光52°,紫光54.2°,所以霓的红光层位于最内层,紫光在最外层,与彩虹的光的排列正好相反。通常霓和彩虹是同时出现的,霓位于彩虹的上方,由于多了一次反射,能量多一次损失,所以霓的颜色要暗淡一些。

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霓的形成原理

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现实生活中的霓虹景观

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