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彩虹的形成原理为什么彩虹出现的时候一般有两条,并且光带颜色刚好相反?彩虹的 形成原理是什么?答:两条其中一条叫彩虹,另一条叫霓。有时在虹的外侧还能看到第二道 虹,光彩比第一道虹稍淡,色序是外紫内红。称为副虹或霓。霓和虹的不 同点仅仅大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。彩虹,简称虹,一般雨后出现彩虹(一般在早晨或者傍晚出现,很少 在中午。夏天向天空喷一口水汽也能容易地生成小彩虹)。通常说的彩虹一定是红色在外,紫色在内,呈弧形,弧高4042度。 这可以通过几何光学的折射和反射定律,及地球与太阳(别的光源也可以) 的关系解释,简单说就是,太阳光线通过大量小球形的水珠时,发生折射 和反射后到达人的眼睛,形成了色彩分开的虚像。频率高的光波折射的程 度要大于频率低的光波,于是彩虹中红色在外,紫色在内,中间有各色光 带。与彩虹相对的是“霓”,它也叫副虹,位于“虹”的外圈,一般不出 现,或者即使出现亮度和鲜艳程度也不及虹。英文中,与霓对应的是 “secondary rainbow”,也称二级虹、次级虹,弧高5254.5度。“霓” 的色彩正好与虹相反,即外圈是紫色,内圈是红色。霓的成因也与折射和 反射有关,只不过它是二次内反射(double或twointernal reflections) 的结果(所以亮度减少)。严格说在主虹(即通常的虹)内侧,还有复杂 的光学现象,要用到其他其他理论才能解释。据说Carl Boyer写过一本书虹:从神话到数学(The RainbowFrom My th t o Ma thema tics, 1959), 大概讲述人们认识虹的历史过程。历史上关于虹有大量描写和论述,好像朱熹就正确地指出过虹的形成 与小水珠有关。在近代科学史上,笛卡儿(Rene Descar tes,1637 )和牛 顿都专门研究过虹,有精确的解释。有趣的是,意大利的一位还用现象学 的方法研究过虹,他做了许多现象学的实验,重现了几何光学关于虹的几 乎全部实验结果。他试图表明,当年哥德的颜色理论也许还有用(那作者 我忘记了,从网上能够找到)。内圈为虹,外圈为霓:sawicki/rainbows.htm虹与霓形成原理图见:反射虹的形成原理图见:关于月光虹的描述见: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。 当中以40至42度的反射最为强烈,形成我们所见到的彩虹。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,雨后刚转天晴时出现。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 察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光,这样彩虹便会较容易被看 到。另一个经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 在空中洒水或喷洒水雾,亦可以人工制造彩虹。空气里水滴的大小,决定了彩虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水 滴大,虹就鲜艳,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,只有背着太阳才能看到彩虹,所以早晨的彩 虹出现在西方,黄昏的彩虹总在东方出现。可我们看不见,只有乘飞机从 高空向下看,才能见到。虹的出现与当时天气变化相联系,一般我们从虹 出现在天空中的位置可以推测当时将出现晴天或雨天。东方出现虹时,本 地是不大容易下雨的,而西方出现虹时,本地下雨的可能性却很大。彩虹的明显程度,取决于空气中小水滴的大小,小水滴体积越大,形 成的彩虹越鲜亮,小水滴体积越小,形成的彩虹就不明显。一般冬天的气 温较低,在空中不容易存在小水滴,下雨的机会也少,所以冬天一般不会 有彩虹出现。彩虹其实并非出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,会随着观察者而改变。当观察者看到彩虹 时,它的位置必定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42。的位置。因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在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。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。倘若在飞机上, 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。参考资料:m#3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白色彩虹?大家一定没见过吧,今天就带你来领略其风采。我们看到 的彩虹一般都是七色的,北极的彩虹与一般的彩虹不一样,是白色的?大 自然的鬼斧神工真是让人惊叹不已。看着下面的图片,感觉白色的彩虹更像是通往某个地方的大门。难道 是上诺亚方舟的大门?那白色彩虹形成的原因和普通彩虹一样吗?白色的彩虹是因为那天正 好是极昼,所以很普通的彩虹不一样,看到这样的美景真是幸福!海市蜃楼原理通过课本分析,对光在空气中全反射形成的蜃景现象,似乎都清楚了.但是当看到阅读材料中,两种蜃景的光路示意图,令人感到困惑.海市蜃楼中的景物悬在空中是正立的,沙漠里的蜃景物体是倒立的.同样的现象,差异为什么那么大?这个问题课本分析还显笼统,必须进一步分析.海面上的空气层各处折射率不同,但是在单位高度上折射率的差异 很小,这就决定了海面上的蜃景发生范围很大.海面上的空气层越低,温 度越低,密度越大折射率越大.空气层越高,温度越高,密度越小,折射 率越小.同一景物上部附近的空气的折射率,略小于下部附近的空气层的 折射率.当景物各处发出的光线射向空气时,都越来越偏离法线方向,进 入上层空气的入射角都逐渐增大当光线的入射角增大到临界角时,就发 生全反射现象.但是物体上部发出的光线,在较高空气层发生全反射,物 体下部发出的光线,在比上部略低点空气层发生全反射当空中全反射的 光线射到地面,人们逆着光线看去,就会看到远方的景物正立悬在空中。沙漠附近各处空气的折射率不同,而且在单位高度上折射率的差异略大些.这就决定了沙漠里的蜃景,发生范围相对海面上蜃景要小许多.越接近沙面空气层,温度越高,密度越小,折射率越小离沙面稍高一点的 空气层,温度越低,密度越大,折射率越大同一景物上下各处空气层的 折射率有差异,上处空气层折射率大于下层空气层折射率当景物上部发 出光线射向密度较低的空气中,光线逐渐偏离法线方向,进入下层空气的 入射角增大,以至于在观察者附近发生全反射景物下部空气层虽然比上 部折射率小,但比沙面处空气层的折射率大当景物下部光线射向沙面处 空气时,由于光线入射角增大,当光线偏离法线后,在景物附近处的空气 层就发生全反射当观察者逆着光线看去,就会看到远处物体是倒立的, 也往往以为前方有一明亮的水面.通过分析,我们进一步明确,海市蜃楼和沙漠里的蜃景都是空气中 的全反射现象表面看起来景物的像一次是正立的,一次是倒立的,差异 很大,而实际是全反射条件不同造成的.可是当空气温度在垂直变化的反常,并会导致与通常不同的折射和全 反射,这就会产生海市蜃楼的现象。由于空气密度反常的具体情况不同, 海市蜃楼出现的型式也不同。在夏季,白昼海水湿度比较低,特别是有冷水流经过的海面,水温更 低,下层空气受水温更低,下层空气受水温影响,较上层空气为冷,出现 下冷上暧的反常现象(正常情况是下暧上凉,平均每隔100米高度,气温 降低0.50.6左右)。下层空气本来就因气压较高,密度较大,现在再加 上气温又较上层为低,密度就显得特别大,因此空气层下密上稀的差别异 常显著。假使在我们的东方地平线下有一艘轮船,一般情况下是看不到它的。如果由于这时空气下密上稀的差异太大了,来自船舶的光线先由密度的气 层逐渐折射进入稀的气层,并在上层发生全反射,又折回到下层密的气层 中来;经过这样弯曲的线路,最后投入我们的眼中,我们就能看到它的像。 由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的,因此我们所看到的轮船映 像比实物是抬高了许多,所以叫做上现蜃景。我国渤海中有个庙岛群岛,在夏季,白昼海水温度较低,空气密度会 出现显著地下密上稀的差异,在渤海南岸的蓬莱县(古时又叫登州),常 可看到庙岛群岛的幻影。宋朝时候的沈括,在他的名蓍梦溪笔谈里就 有这样的记载:“登州海中时有云气,如宫室台观,城堞人物,车马冠盖,历历可睹。”这就是他在蓬莱所看到的上现蜃景。1933年5月22日上午11点多钟, 青岛前海(胶州湾外口)竹岔岛上也曾发现过上现蜃景,一时轰传全市, 很多人前往观看。1975年在广东省附近的海面上,曾出现一次延续6小时 的上现蜃景。不但夏季在海面上可以看到上现蜃景,在江面有晨也可看到,例如1934年8月2日在南通附近的江面上就现过。那天酷日当空,天气特别热, 午后,突然发现长江上空映现出楼台城廓和树木房屋,全部蜃景长20多 里。约半小时后,向东移动,突然消逝。后又出现三山,高耸入云,中间 一山,很象香炉;又隔了半小时,才全部消失。在沙漠里,白天沙石被太阳晒得灼热,接近沙层的气温升高极快。由 于空气不善于传热,所以在无风的时候,空气上下层间的热量交换极小,遂使下热上冷的气温垂直差异非常显著,并导致下层空气密度反而比上层 小的反常现象。在这种情况下,如果前方有一棵树,它生长在比较湿润的 一块地方,这时由树梢倾斜向下投射的光线,因为是由密度大的空气层进 入密度小的空气层,会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层 时,就发生全反射,光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气 层中来。这样,经过一条向下向下凹陷的弯曲光线,把树的影像送到人的 眼中,就出现了一棵树的倒影。由于倒影位于实物的下面,所以又叫下现蜃景。这种倒影很容易给予 人们以水边树影的幻觉,以为远处一定是一个湖。凡是曾在沙漠旅行过的 人,大都有类似的经历。拍摄影片登上希夏邦马峰的一位摄影师,行 走在一片广阔的干枯草原上时,也曾看见这样一个下现蜃景,他朝蜃景的 方向跑去,想汲水煮饭。等他跑到那里一看,什么水源也没有,才发现是 上了蜃景的当。这是因为干枯的草和沙子一样,可以被烈日晒得热浪滚滚, 使空气层的密度从下至上逐渐增大,因而产生下现蜃景。无论哪一种海市蜃楼,只能在无风或风力极微弱的天气条件下出现。 当大风一起,引起了上下层空气的搅动混合,上下层空气密度的差异减小 了,光线没有什么异常折射和全反射,那么所有的幻景就立刻消逝了。柏油马路因路面颜色深,夏天在灼热阳光下吸收能力强,同样会在路 面上空形成上层的空气冷、密度大,而下层空气热、密度小的分布特征, 所以也会形成海市蜃楼。光的折射.关于海市蜃楼的成因,有的学生提出如下问题:1 . 大气在不同高度,密度本来就是不同的,为什么平时看不到海市蜃楼。2. 如果真是象课本上所述的成因,空中的海市蜃楼应该与实物在同一方向,距离也不应该相差很多如果我们朝着空中的海市蜃楼方向 行走,应该肯定可以到达实物所在处。但实际上并不是这样,实际的海市 蜃楼无论你怎样走,都不可能到达实物处。3. 海市蜃楼为什么只在特定的地方才会出现,如沙漠、海边等。“海市”是课本上的解释,而“蜃楼”是发生在沙漠中,底层空气密度小 上
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