孙瑨

摘 要：雨后的天空中经常会出现色彩鲜艳的彩虹，它的形成曾使人们感到困扰。从遥远的殷商时代开始，我国就出现了虹的象形文字，之后的各个朝代，都有对彩虹的描述，包括彩虹的产生、彩虹的位置以及人造彩虹的出现。西方对于彩虹的研究从亚里士多德开始，历经费马、笛卡尔、牛顿等人，通过理论的研究以及实验的探索大致上解决了有关彩虹的一些问题，包括彩虹产生的机理以及彩虹的颜色。随着时代的发展，人们对于彩虹的认识也越来越深刻，彩虹对于人们来说也不再神秘。本文将站在前人研究的基础上，从物理的角度出发，通过光的折射原理来分析彩虹中的物理现象。

关键词：彩虹 物理 光折射

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）12-0-01

一、引言

彩虹是光学中的一种自然现象，是太阳光经过水珠后发生一系列的折射和反射后生成的。因为水珠对于不同颜色的光有着不同的折射率，使得太阳光产生了色散。雨过天晴，空气中充满了细小的雨滴，这些雨滴可以看成球状水珠，如果太阳光以一定的角度射入水珠，将会在在水珠内发生一系列的折射和反射过程，然后从水珠内射出，因为不同颜色的光的折射率不同，于是太阳光便在色散的作用下生成了各种其他颜色的光，这就是彩虹。以上的彩虹是太阳光在水珠内产生两次折射和一次反射形成的，假若太阳光在水珠内产生了两次折射和两次反射，然后从水珠射出，这样形成的彩色光带我们称之为副虹，也就是霓虹。

二、彩虹光折射的呈现原理

彩虹并不是一种常见的光学现象，只有满足一定的气象条件时，它才会出现在我们的视线之中。雨后晴朗的天空中，空气中雨滴多尘少，太阳光以一定的角度射入空气中的雨滴，观察者背对太阳，以一定的角度仰视天空，才能够观察到美丽的彩虹。彩虹是阳光通过雨滴的反射和折射形成的，因为雨滴是不间断下落的，总有后面的雨滴补到之前雨滴的位置，产生相同效果的折射与反射，由于人眼的视觉暂留，前一个雨滴产生的视觉效果还没消散又有后面的雨滴补上，所以我们看到的彩虹是连续不断的。彩虹的形成后的模样与空气中雨滴的大小息息相关。雨滴愈大，彩虹的颜色便显得愈发明亮，彩虹却显得愈加狭窄；反之，雨滴愈小，彩虹的颜色便显得愈发晦暗，彩虹却显得愈加宽阔。但当雨滴小到支撑不了它对太阳光进行色散、反射、折射这一系列过程时，彩虹便消散不可见了。又因为彩虹是“日照雨”形成的，所以它总是存在与太阳的对面。观察者只有背对太阳才能观察到美丽的彩虹！

三、彩虹的颜色形成分析

现在流行的说法是彩虹是由赤橙红绿青蓝紫这七种颜色构成的，其实不然，彩虹是经过水滴折射后产生的连续可见光谱。彩虹就是太阳光色散后产生的现象，雨后的天空中的充满了太阳光色散的介质——雨滴。这些雨滴将太阳光色散成人眼可以观察到的可见光——波长在400 纳米到700 纳米之间的电磁波，但是这些可见光只是占据了整个电磁波谱的极小的一部分。

由于不同颜色的光的波长不同，导致水对于不同颜色的光的折射率也不尽相同。相对于水对红色光的折射率而言，水对于紫色光的折射率要显得更大一些。对于主虹而言，不同颜色的光经过水珠折射后与光轴形成的夹角也不同，其中红光为42.22°，紫光为40.94°，因此，红光在上，紫光在下。

四、副虹的形成

前文分析的彩虹都是主虹，在主虹的上方有时候还可以观察到副虹，也就是常说的霓虹。事实上，副虹和主虹是一起存在的，只不过由于副虹的显得更加黯淡，人们不太容易注意到。生成副虹的机理相对于主虹来说要显得更为复杂。主虹是太阳光在水珠内经过两次折射和一次内反射的产物，而副虹则比主虹多了一次内反射的过程，这也导致了霓的颜色与虹的颜色恰好顺序相反。实际情况是，光线从水珠的上半部分射入时也同样形成了副虹，只是光线在水珠内经过两次折射和两次内反射后形成的出射光线飞向了空中，并没有落回地面，所以我们能够在空中观察到这样的副虹。光的折射和反射都要消耗能量，相较于主虹只经过了一次内反射而言，经过两次内反射后形成的副虹颜色自然会显得黯淡[13]。因此，虹常有，而霓不常有，就是这个缘故。

五、亚历山大暗带

亚历山大暗带是指一种和彩虹结合在一起的光学现象，简单的说就是两条彩虹中间的区域亮度相较于外部而言显得更为黯淡。这一现象是雅典哲学家亚历山大在公元约200年率先发现，因此后人把这条暗带称之为“亚历山大暗带”。

亚历山大暗带的形成：形成虹的光线集中于虹线及其下方，形成霓的光线集中于霓线及其上方，在霓和虹之间的光线达不到观察者的眼中，因此中间区域相对于两侧显得更加黯淡。

亚历山大暗带

参考文献

[1]宫彦军，王喜昌，宋东草，于文英，董维义.折射定律与反射定律的推导[J].物理实验，2005（2）：41～43

[2]王晓明.基础光学中的几何光学[J].中学生课程辅导（数学研究），2015（13）：99～99

[3]周平，浅谈虹现象及虹的成因[J].学术探讨，2013（10）：48～48

[4]张文慧，张协成.虹的几何光学原理初探[J].物理数学，2008，30（9）：23～25

[5]（日） 久保日广著，刘瑞祥译，王国强校，波动光学，科學出版社.（1983），438，439.