虹与霓的形成原理_生活中的物理-查字典物理网

虹是由于太阳光线被大气中的水滴反射和折射而形成的一种自然现象。雨过天晴，空气中存在大量的水分，尘粒减少，能见度提高，这时太阳的对面天空中将出现彩色圆弧，按一定顺序排列红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。这种圆弧有时能见到两个，红色在外、紫色在内，颜色鲜艳的叫“虹”，红色在内、紫色在外，颜色较淡的叫“霓”。光在球形介质内传播的反射、折射所引起的色散现象，接着讨论霓虹的分布与太阳在天空中位置的关系。

虹霓是怎么回事呢？从实验测量的角度来说，虹的仰角是42度，而霓则是50度；从唯象观察的角度讲，太阳光在水珠中经过一次全反射的是虹，两次的是霓。

可见光分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。可见光是电磁波，而且只是电磁波连续光谱中极小的一部分。

太阳光是各种可见光的混合，呈白色，通过棱镜、水等的反射折射时，出现色散现象。虹和霓就是太阳光通过大量小球形水珠时，通过折射、反射后的色散现象。

虹（rainbow），即彩虹，是红色在外，紫色在内。霓（secondary rainbow），也称二级虹。霓的色彩正好与虹相反，即外圈是紫色，内圈是红色。

太阳光在水珠中经过一次全反射的是虹，两次的是霓。霓和虹的不同点仅仅在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。

1、虹的形成：

一束平行的太阳光沿图中方向射入空中的一小水滴时，由于折射而进入到水滴中且同时发生色散，然后经过一次反射再从水滴射出。由于红光在水珠中的折射率最小使其出射光线与入射光线成42度，而紫光在水珠中的折射率最大使其折射光线与入射光线成40度。

人眼按直线追溯射入眼中的光线射来的方向看到偏折较小的红光出现在“虹”的最外侧，而折射率最大的紫光出现在“虹”的内侧。

2、霓的形成：

当一束太阳光射入一小水滴发生折射而在水滴内发生两次全反射时，折射率小的红光的出射光线方向与入射方向成50.6度。折射率大的紫光的出射方向与入射方向成53.6度。人眼根据视觉的直线特性而将观察到射出水滴后的光线在空中形成外侧成紫色而内侧成红色的彩色分布。

由于太阳光经过水滴后发生两次反射的情况较发生一次反射的光能量损失很多，因而“霓”的亮度比“虹”的亮度暗得多，故又将其称作副虹，而且副虹位于主虹之上，副虹下面才是主虹。主虹中颜色的分布为外红内紫，副虹的颜色分布为外紫内红。人们通常观察到天空中的彩虹主要是主虹而副虹因为太暗一般不容易被人们观察到。

太阳光在水珠内经过三次、四次反射也可以形成彩带而被称为第三虹、第四虹等，但它们的色彩更暗淡，故一般很难看得到。

以空气中的微小水滴作为反射介质为例：虹：光线在入射水滴的界面时，产生色散；再经过水滴与空气的界面时色散的光线分别各发生一次全反射（反射点的位置有细微差异，但都是连续的），射出时（与原光线的方向向量夹角为钝角）再经过水滴界面，再次色散。霓：与虹相似，但全反射了两次。由于全反射吸收了部分光的能量，所以看起来要比虹暗淡一些，色带方向也与虹相反。

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。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，会随著观察者而改变。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。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。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。

双彩虹，有时候会见到两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外边出现同心，但较暗的副虹(又称霓)。副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。当阳光经过水滴时，它会被折射、反射后再折射出来。在水滴内经过一次反射的光，便形成我们常见的彩虹（主虹）。若光线在水滴内进行了两次反射，便会产生第二道彩虹（霓）。霓的颜色排列次序跟主虹是相反的。由于每次反射均会损失一些光能量，因此霓的光亮度亦较弱。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已。苏格兰上空的双重彩虹1307年时欧洲已有人提出彩虹是由水滴对阳光的折射及反射而造成。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水来进行实验，得出水对光的折射指数，用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成，而副虹则是两次反射造成。他准确计算出彩虹的角度，但未能解释彩虹的七彩颜色。后来牛顿以玻璃菱镜展示把太阳光散射成彩色之后，关于彩虹的形成的光学原理全部被发现。

彩虹为什么总是弯曲的，原因一：光的波长决定光的弯曲程度。事实上如果条件合适的话，可以看到整圈圆形的彩虹。彩虹的形成是太阳光射向空中的水珠经过折射→反射→折射，后射向我们的眼睛所形成。不同颜色的太阳光束经过上述过程形成彩虹的光束与原来光束的偏折角约180 - 42 = 138度。也就是说，若太阳光与地面水平，则观看彩虹的仰角约为42度。想象你看着东边的彩虹，太阳在从背后的西边落下。白光穿越了大气，向东通过了你的头顶，碰到了从暴风雨落下的水滴。当一道光束碰到了水滴，会有两种可能：一是光可能直接穿透过去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前缘，在进入时水滴内部产生弯曲，接着从水滴后端反射回来，再从水滴前端离开，往我们这里折射出来。这就是形成彩虹的光。光穿越水滴时弯曲的程度，端视光的波长（即颜色）而定――红色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最少的是紫色光。每种颜色各有特定的弯曲角度，阳光中的红色光，折射的角度是42度，蓝色光的折射角度只有40度，所以每种颜色在天空中出现的位置都不同。若你用一条假想线，连接你的后脑勺和太阳，那么与这条线呈42度夹角的地方，就是红色所在的位置。这些不同的位置勾勒出一个弧。既然蓝色与假想线只呈 40度夹角，所以彩虹上的蓝弧总是在红色的下面。原因二：与地球的形状有很大的关系，彩虹之所以为弧型这当然与其形成有着不可分割的关系，同样这也与地球的形状有很大的关系，由于地球表面为一曲面而且还被厚厚的大气所覆盖，在雨后空气中的水含量比平时高，当阳光照射入空气中的小水滴形成了折射，同时由于地球表面的大气层为一弧面从而导致了阳光在表面折射形成了我们所见到的弧形彩虹。

讨论：上图里的水珠是椭圆形的。如果水滴是标准的球形，在水滴和空气的界面上不会发生全反射，因为一束光从空气射入球面，第一次发生折射后到了水球和空气的界面，此时的入射角小于临界角，不会发生全反射，可能是反射率较高的反射。事实上水滴的形状是上圆下扁的，因为水滴本身是个流体，按照流体力学原理，一个流体球在空气中自由掉落时，前端受到的压力最大，结果前端被压扁，则后端则保持圆形，结果就成了馒头形。光进入上圆下扁的水滴，第一次是折射，第二次可以是全反射，第三次再折射出来形成虹。“太阳光水平射向一水珠，光线经两次折射和一次全反射后射出水珠，霓的形成经过了二次折射和二次全反射。”摘录，“光线折射进入水珠——若干次反射——折射出水珠。当然中间的若干次反射并不完全，每次都只有一部分能量反射，另一部分确实是通过折射损失了。所以一般情况下只反射一次为虹，两次为霓，次数再多就什么也看不到了。上次看过一张照片有反射三次的，不过非常淡。而且画一下图，标准圆的水珠，会发现全反射是不可能的，因为前一次折射/反射的出射角等于后一次折射/反射的入射角，那么后面每一次都会有折射发生。”“虹与霓是由雨滴对日光的折射、色散和全反射的综合效应产生的．在合适的观察条件下可以看到两个弓形，里面的叫做虹，外面的叫做霓。里面的虹比较明亮，它的外侧为红色，内侧为紫色；而外面的霓则颜色较淡，其颜色次序恰好与虹相反。”

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