|
环形彩虹
在雨后初晴，空气中漂浮有大量的小水滴，就像大量的球透镜，阳光射入水滴后，经过折射、反射再折射出来，进入我们的眼睛。本来的白光进入水滴后，会像牛顿的三棱镜实验一样，由于折射而分成不同的色光，所以彩虹才有不同的颜色。笔者在几何画板中绘制了白光在水滴中的折射光路。 
彩虹水滴内部光路 空气中布满水滴，为什么我们只看到一道彩虹，而不是到处都有彩虹呢?这是因为光线入射水珠的位置，只有一个角度会让折射出的光线强度最大，这就是解读彩虹现象的最基本原理，即入射光和眼睛见到色光的视线间有一个固定的夹角。 因此，并不是只有空中某些特别的水珠会产生彩虹，而是只有在特定角度的水珠所折射出来的色光才能进入我们的眼睛。这个角度和不同色光的折射率有关，例如红光的折射率较小，夹角较大(约42°13')；反之，紫光折射率小，夹角就较小(约40°30')。这就造成红色在上、紫色在下的彩虹。 因为阳光是平行入射，由上述原理和“并行线同位角相等”定理，进入眼中的色光会因为空气中的水珠层厚度的增加而加强，这就是为什么大雨后的彩虹较清楚、小雨后的较淡薄的原因。由于固定夹角的限制，当太阳在我们头上时，折射的光线不能进入眼睛，所以看不到彩虹。必须到下午以后，彩虹才会在山峦或城市的天际出现，而且随着时间越接近傍晚，彩虹的位置会越高，这也是前述基本原理的应用。根据同样的原理，考虑以通过眼睛平行于入射阳光的直线为轴，旋转在你眼中造成彩虹的入射光线，这时，进入眼睛的折射色光，会转出一个圆锥面。如果入射光与地面不平行，这个圆锥面投射到我们眼里，看起来只是一段短圆弧。但是到了傍晚，阳光平行于地面时，我们眼中的彩虹，就几乎是正半圆。科学证明，所有的彩虹都是全圆形的，只是我们平时无法从地面上看到。想要看到全圆形彩虹是非常难得的，必须具备“天时地利”的条件，所以通常只有飞行员才能见到这种自然奇观。人们在地面上之所以很难看到环形的彩虹，那是因为观察位置受限所致。不识庐山真面目，只缘身在此山中。
|
