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生活中的物理学——彩虹 精选

已有 4224 次阅读 2020-4-6 15:13 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 科普, 儿童, 物理

四岁的女儿最近迷上了画彩虹。哥哥偶然看了画后,坚定地认为妹妹把颜色的顺序画错了。妹妹画的是由内往外的“红橙黄绿蓝靛紫”,说是老师就这样教的。到底是妹妹对?还是哥哥对呢?

要想明白彩虹形成的机理,就需要对光的特性有一定的了解。彩虹的形成涉及到光的反射和折射。光照射到物体表面会发生反射,当不同颜色的光从同一角度入射到某一物体表面时,它们将沿着同样的角度反射。折射是光从一种物质入射到另一种物质时传播方向发生变化的现象。与反射不一样,当不同颜色的光从同一角度入射到两种介质的分界面时,它们将沿着不同的角度折射。生活中有很多与光的折射现象有关的例子,三棱镜使得入射的白光经过两次折射后形成了色带,一部分浸在水里的筷子看起来发生了弯折,有经验的渔人在叉鱼时也在不知不觉地利用光的折射效应。

refraction.png

彩虹的形成实际上就是空气中的水滴充当了棱镜的作用。不同颜色的光折射的程度不同(偏离原来方向的角度),不同颜色的光自然就分开了。对于肉眼可见的颜色范围内,红光折射的程度最小,紫光最大。与三棱镜不同的是,在光线从空气进入水滴再回到空气中的过程中,共经历了两次折射和一次反射。理论上可以证明,当出射光与入射光的夹角为42度左右时,红光最强,而紫光则在40度左右时最强。太阳与地球的距离大约是150百万公里,太阳发出的光要大约500秒后才能到达地球。对于这么远的距离,入射到每个水滴上的光基本上来自于同一个方向。这样,经过每个水滴的两次折射和一次反射后,不同颜色的光将从不同的角度发射出来。

Rainbow1.png


(图片来自于网络)

由于观测者离彩虹很远,每个水滴发射出来的不同颜色只有很窄的颜色范围能被观测者看到。只有当太阳、水滴、人眼满足相应的角度时才能看到这个水滴发射的相应颜色的光。要使得这三者的角度一样,这样的水滴必然在一个圆环上,这就是为什么我们看到的彩虹是一个理想的弧形。消失的另一部分圆弧被地平线淹没了,如果置身空中,你也许会有幸看到一个完美的彩虹圆环。离圆弧中心越远,夹角也越大,这就造成了彩虹的颜色顺序是由外环向内分别是“红橙黄绿蓝靛紫”。

rainbow.png

 

这样看来,哥哥说的是对的。你想看到色彩斑斓的彩虹吗?请在雨后放晴的时候,背朝太阳,彩虹也许就在那里等着你。

 

 

趣闻

1665-1666年间,英国爆发鼠疫。为了社交疏离(social distancing),二十出头的剑桥学生伊萨克 牛顿一直待在林肯郡伍耳索普的家中。在此期间,它在微积分、光学、引力理论方面做出了开创性的成就。



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