彩虹形成的光学现象
摘要:正雨过天晴,长虹一贯天空,七彩斑斓,坐地仰观半圆虹,凌空俯视一圆霓,虹霓相伴,有几分夺目。
原来它们都是光与物质相互作用的结果。
本文将就光的彩虹的形成条件、彩虹的形成与光的反射，彩虹的形成与光的折射与色散做简单阐述。
关键词：彩虹;反射;折射;色散
1 引言
生活中时时有物理，处处有物理。
通过对生活中各种物理现象的研究，了解世界，了解生活，你会发现生活原来是那么的神奇，那么的有趣味，会因而而更加热爱生活，生活将更有意义。
例如正雨过天晴,长虹一贯天空,七彩斑斓,坐地仰观半圆虹,凌空俯视一圆霓,虹霓相伴,晕华烂灿,有几分夺目,也有几分激情。
本文将就彩虹的形成条件、光线的照射角度、彩虹的形状、彩虹的颜色分布以及彩虹的霓做简单阐述。
2 彩虹形成的气象条件
彩虹不是很容易看到的，即便在夏日的雨后也仅偶尔可见。
彩虹的形成需要满足特定的气象条件。
简言之，就是对光线和空气中的水滴含量有要求。
雨过天晴，空气中尘埃少而充满水滴，日光从观察者背后以小角度照射水滴，天空的一边因有云遮挡而较暗，这样便会较容易观察到彩虹；彩虹的明暗和宽度由空气里水滴的大小决定。
雨滴越大，彩虹带越窄，色彩越鲜明；雨滴越小，彩虹带越宽，色彩越黯淡。
当雨滴小到一定程度时，分光和反射不明显，彩虹就消失了。
这说明彩虹的形成与空气中的水滴的多少、大小和光线的明暗、照射的角度有密切的关系。
一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下阵雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。
3彩虹形成的光学现象
3.1彩虹的形成与光的反射
当阳光照射到半空中的雨点，光线被折射及反射，有一次反射的也有两次反射如图1与图2所示。
这是一种镜面发射而不是漫反射，镜面反射分为平面发射跟球面反射，这都是属于球面反射。
球面反射又分为凹面镜和凸面镜，因为光线是在雨滴里面反射的,雨滴又是球形的往外凸的。
造成彩虹的光学原理彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴，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，造成我们所见到的彩虹。
造成这种反射时，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。
图1 一次反射图2 两次反射
3.2彩虹的形成与光的色散
3.2.1光的色散现象分析
所谓色散从广义上说不单是光波与不同媒质作用而分解成频谱，同时某一物理量如折射率随波长变化而变化才是色散的实质。
让一束白光（复色光）通过透明媒质（三棱镜）时，光在玻璃和空气两种媒质分界面上发生折射而分散成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种不同频率的单色光的现象叫做光的色散现象如图3所示。
图3
如图4所示，白光从O点射入三棱镜，由于玻璃对各单色光的折射率不同，而产生不同的折射角度，并在棱镜的另一侧面上发生第二次折射而进入空气到达屏上形成七色光谱．R1表示一定频率的红光，R2表示一定频率的紫光，设玻璃对红光折射率为n1，对紫光的折射率为n2，入射角与折射角的正弦之比n叫做
介质的“绝对折射率”。
由光的折射定律r i n 1sin sin 1=，r i n 2
sin sin 2=，因为r r 21>，所21n n <以，即红光折射率比紫光小，在白光光谱中从紫光到红光媒质对各单色光的折射率随波长的增大顺次减小，折射角也顺次减小。
可见，光的色散表明不同波长的光与媒质原子分子相互作用，致使传播速度减小，折射率减小，即折射率n 是波长λ的函数)(λf n =。
实验表明，折射率n 随波长λ近似地按λλ4
2C B A n ++=公式变化，A 、B 、C 是由材料性质决定的常数，曲线如图5所示。
这是一组玻璃媒质的色散曲线，当波长λ变化不大时，取λ2
B
A n +=且两边求导得曲线的斜率λλ3
2B d dn -=，可定义为媒质的色散率，即色散率近似地与波
长的三次方成反比。
由色散曲线可知，在可见光范围内，折射率n 总是随着波长λ的增大而减小；波长越短，曲线越陡，斜率越大，色散作用越强；在波长一定时，不同物质折射率越大，色散率越大，不同物质的色散曲线没有简单的色散关系。
图4 图 5 3.2.2彩虹也是一种自然的色散现象
光线在空气和水滴的分界面时，同时发生反射和折射，由于反射不能将复色光发散成单色光，所以形成彩虹的主要原因是光的折射。
由于水对七色光的折射率不同，白光在第一次由空气进入水滴时，就会被分成彩色光带。
从图6我们可以看到，在光线第二次到达水滴和空气的分界面时，同样既发生折射和反射，折射出的光线应该是彩色的。
我们实际上看到的彩虹是光线第三次到达水滴与空气的分界面时折射出水滴的光线形成的。
那为什么第一次从水滴中折射出的光线，我们没有看到彩虹？这是由眼睛对光线的敏感度决定的，由于第一次折射出的光
线的强度较太阳光弱的多，当他们同时照到人眼睛时，我们只会感觉到太阳光，而通过水滴的折射光线就看不到了，所以在这个角度观察不到彩虹。
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。
图6
4结束语
造成彩虹的光学原理彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴，造成色散及反射而成。
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。
在可见光范围内，折射率n总是随着波长λ的增大而减小；波长越短，曲线越陡，斜率越大，色散作用越强；在波长一定时，不同物质折射率越大，色散率越大，不同物质的色散曲线没有简单的色散关系。
彩虹的形成与空气中的水滴的多少、大小和光线的明暗、照射的角度有密切的关系。
下过雨后，有许多微小的水滴漂浮在空中，当阳光照射到小水滴上时会发生折射，分散成7种颜色的光。
很多小水滴同时把阳光折射出来，再反射到我们的眼睛里，我们就会看到一条半圆形的彩虹。
彩虹的色带分明，红的排在最外面，接下来是橙、黄、绿、青、蓝、紫6种颜色。
空气里水滴的大小，决定了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。
参考文献：
[1] 余小英，李凡生。
彩虹形成的光学原理及散射角的推导[J].广西：南宁师范高等专科学校学报，2007.
[2] 陆先生。
光的色散现象与分析实验[J].安徽：安徽省凤阳师范物理通报，1999.。