彩虹的形狀為什么是一個完整的圓環呢?

                          2021年08月10日
                          彩虹
                          簡稱為“虹”
                          是一種光學現象
                          那你有沒有想過彩虹到底是什么形狀的呢?
                          當太陽光照射到空氣中的水滴時,光線被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光譜,一般為雨后常見。我們從地面上看,彩虹是一個拱形,但實際上它是一個完整的圓環,這是為什么呢?
                          彩虹形成的基本條件水汽太陽光。下過雨后,空氣濕度較大,空氣中的水汽可以看做是無數個小水滴。小水珠在空氣中基本是個球形,它不管怎么翻過來滾過去,在空間中形狀始終不變。當太陽光射入小水滴時,會發生兩次折射和一次反射,即“折射—反射—折射”現象。照射到小水珠上不同部位的太陽光會產生不同的折射與反射路徑。
                          但不同角度的光線并不任意發散,而是似乎集中在某一個角度附近,這個角度在42度左右
                          雖然棱鏡分解太陽光時,每種顏色只被折射到一個固定的角度。但對于水珠,某種顏色的光會沿著0到42度的任意角度出來,只不過在42度附近亮度最大
                          我們可以想象一下,當我們拿著一粒水珠在太陽光中移動時,我們的視線和太陽光之間的夾角逐漸增加。
                          當夾角接近42度時,水珠變成明亮的紫色;
                          繼續增加這個角度,水珠的顏色逐漸向紅色方向變化;
                          等超過了可見光的范圍,水珠又會變成昏暗的。
                          所以當天空中布滿了水珠時,有一部分水珠會把太陽光折射反射再折射到我們的眼中,根據水珠與太陽光以及我們眼睛的相對角度,每個水珠呈現出一種顏色。凡是相對于觀察者處于相同出射角,也就是說呈現相同顏色的,都處于同一個圓上(確切說是同一個錐面上)。
                          對觀察者來說,相同折射角的水珠都處于一個圓面上,而相同折射角呈現的顏色相同,因而看到的相同顏色也是一個圓。這就是為什么說彩虹是圓的原因。
                          我們為什么看到的是個圓弧形呢?
                          這是因為另一半彩虹被地面擋住了。
                          地球的表面是一個曲面,雨后空氣中的水汽也會按照地球的曲面分布,但身處地球之外看到的彩虹,應當是完整的圓環形狀。這種情形有時在飛機上可以看到。
                          本文由中國人民大學附屬中學第二分校一級教師王和意進行科學性把關。
                          來源:新華網科普公眾號
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