关于虹和霓的成因分析-论文.pdf

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1、第35卷第4期物理教师Vo1．35No．42014年PHYSICSTEACHER(20l4)·问题讨论·关于虹和霓的成因分析苏明义(北京市海淀区教师进修学校，北京100195)雨后彩虹的出现说明白光是在经过水滴的“折射一反射一折射”最后射出水滴时的能由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光量会有所不同，即人眼看到通过水滴后的太阳光其强弱情组成的，白光通过棱镜也能形成彩况是不同的，所以在比较明亮的天空背景下，当我们迎着色光带(如图l所示)．然而雨后彩这些从小水滴中射出的光观察时，总有一束能量最强的光虹所呈现的由色光

2、组成的光带与能对我们的视觉产生较强的刺激．理论上可以证明，在上自光通过棱镜所形成的彩色光带述的“折射一反射一折射”过程中最后射出时能量较多(光图1的物理过程是不的．那么雨后彩强较强)的光与水平面间的夹角约为41。左右，这个角度出虹是怎样形成的呢?为什么有时出现虹，有时出现霓呢?射光的方向称为光的闪耀方向．本文仪从与中学物理教学内容相关的几何光学的角度，对虹和霓的成因加以分析．生活经验告诉我们，雨后出现虹或霓有2个条件：一是厢刚停不久，空中有大量的小水滴存在；二是太阳光与水平方广口j的夹角要足够小．这时，在我

3、们背对太阳光的方向观察时，可以看到虹或霓．那么此时斜射向小水滴的太阳光经历丁什么样的过程呢?l虹的成因分析1．1光在水滴中的传播情况一～“折图3图4射～反射折射”当然，由于水对不同色光的折射牢不同，所以不同颜天空中有大最的小水滴，由于表色的光其闪耀方向略有不同，如图4所示．理论上可以证面张力的作用，这些水滴可近似视为明，从紫光到红光，它们的闪耀方向介于40。～42。之间．一个一一个的小球体．当太阳光以一定1．3同一闪耀方向的水滴所处的空间位置一弧形的的角度照射到这些小水滴上时，有些图2形成光线将在小水滴内发

4、生“折射一反射～一折射”后射出小水由于空中存在着大滴，如图2所示．当然，光照射到A、(两点时不只是发生了量的小水滴，此时地面折射，还有反射；光照射到B点时，不仅是发生了反射，也有折射．因我们主要是研究从小水滴射出且能被地面上的妻去，这些相篱对于观察莩者坞一人观察到的光的路径情况，所以为了突出重点，图中只画而言具有相同闪耀方向出了“折射反射折射”后射出小水滴的光路情况．的小水滴折射出的光1．2不同入射点导致出射光强度的差异——闪耀方向线，将构成一个较明亮太阳光可视为平行光，但照射到水滴上不同部位时，它的“光带

5、”．若太阳光沿图5们的入射角各不相同．所以进入水滴后的光路也有所不同．水平方向射向小水滴，为计算方便，我们可以设定理想状态：太阳光沿水平则这个较明亮的“光带”一定分布在以太阳和观察者的连方向平行射向水滴，如图3所示．太阳光射到水滴不同部线为轴线，张角为41。左右的圆弧上，如图5所示．即对于位的入射角不同，从而导致进入水滴的太阳光在水滴内的观察者具有相同闪耀方向的小水滴一定分布在这个圆弧折射角一反射时的入射角一反射角一折射时的入射角也上，这就是我们观察到的虹呈圆弧状的原因．不相同．由图3所示的情景不难看出，与

6、光线2相比，靠近1．4太阳位置高低对虹位置高低的影响一～弧的完整性小水滴顶部的光线l在射向水滴时入射角较大，因此反射由图6所示的情景可看出，太阳的位置越低，由小水回空气的能量较多，进入水滴中的能量较少；同理，与光线滴折射出的光的闪耀方向与水平线之间的夹角越大，在地2相比，靠近小水滴中心的光线3在射向水滴时入射角较面上的观察者所看到的彩虹的位置就越高，所以看到的圆小，因此反射回空气的能量较少，进入水滴中的能量较多，弧所对应的圆心角就越大，即弧越完整，如图6甲所示．相但其在水滴内发生反射时的入射角较小，因此折射

7、出水滴反，太阳的位置越高，地面上的观察者所看到的彩虹的位的能量较多．所以，照射到小水滴中心以上不同部位的光，置越低，圆弧与对应的圆心角就越小，即弧就越不完整．V01．35N0．4物理教师第35卷第4期(2O14)PHYSICSTEACHER2014正2霓的成因分析有时我们可以看到空中有两条彩虹同时出现，即在平常的彩虹外边同时出现一个同心的圆弧状的较暗“虹”，称为副虹，也叫做霓．2．1光在水滴中的传播情况——“折射一反射一反射一折射”上述对于虹的分析我们只讨论了射向小水滴上半部甲乙的光线情况(即如图3中的光线

8、1，2，3)，对于射向小水滴图6下半部的光线(图3中的光线4，5，6)情况又如何呢?若彩虹出现在夕阳西下时，我们通常可以看到接近半圆的弧形彩虹，就是因为此时太阳的位置比较低，所以彩虹的弧形就相对更完整．若乘飞机在空中有幸能看到彩虹，则有可能看到完整封闭的彩色光环．这是由于人在高空(云层之上)时，太阳光斜向下照射到飞机下方云层中的小水滴上(如图7甲所示)，此时人沿着太阳光的传播方向向下方云层中的小水滴望去，由于人的