彩虹是怎樣形成的？

彩虹是光的色散現象，它是光線遇到空氣中的水滴經過折射和全反射形成的，並有主虹（虹）和副虹（霓）之分。

什麼是折射

光在不同介質中傳播速度不同，當光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向一般會發生變化。例如，光線從空氣斜射入水中時，折射光線會更偏向垂直水面的軸線，這個軸線稱為法線。

值得注意的是：折射並不是光特有的現象，任何波在兩種介質的界面上都可能發生折射。例如下圖是水波的折射示意圖。

最早對摺射現象進行正確解釋的人是荷蘭物理學家惠更斯，他指出：波的折射原因是波在不同介質中傳播的速度不同。並且，根據光的折射規律，光在空氣中傳播速度快，在水中傳播速度慢。

什麼是色散

在介質中，光速主要由介質決定，例如水中光速大約是真空中的3/4，玻璃中的光速大約是真空中的2/3。但是，即便是同一種介質，不同顏色的光在傳播時速度也有微小的差別，這就造成了不同顏色的光在折射時偏折程度的不同。

我們知道，白色光是由紅橙黃綠藍靛紫七種顏色的單色光構成的。如果一束白光進入介質，由於在介質中光速的微小差別，每種色光偏折程度不同，出射時就不是白色，而是分成了七種顏色。這個現象就稱為色散，最早是由牛頓發現的。

如圖所示，牛頓讓一束白光通過三稜鏡，發現出射光分為七種顏色。而且相比於原來的入射方向，紅色光偏折最小，紫光偏折最大。

虹和霓有什麼區別

當空氣中有小水滴時，光線進入小水滴會發生折射和反射。由於剛才所說的原因，不同顏色的光在發生折射時偏折程度不同，由此會出現色散現象。

彩虹出現時，有主虹（虹）和副虹（霓），二者的顏色順序相反。虹是外紅內紫，霓是外紫內紅。由於霓一般比虹弱很多，所以有時候人們會只觀察到主虹。

主虹的形成是光線進入水滴時，發生了兩次折射和一次反射形成的。

如圖所示：光線首先通過一次折射進入水滴，再通過一次反射和一次折射射出水滴。對於同一個水滴的出射光，紫色光偏折程度大，偏向水平；紅色光偏折程度小，偏向豎直。

當我們在某個固定地點觀察時，空氣中分佈的水滴都形成類似的效果，如圖所示。

大家注意：同一個水滴發出的光不能全部進入我們的眼睛，我們所接收的是不同水滴出射的光。最上方的光更加偏向豎直，因此是紅色；最下方的光線更加偏向水平，因此是紫色。於是我們就看到了外紅內紫的主虹。

副虹（霓）的形成原因類似，只不過，它是光線在水滴中進行了兩次折射和兩次反射形成的。

如圖所示，在這種情況下，紅光偏折程度小，更加偏向水平；紫光偏折程度大，更加偏向豎直，剛好與主虹相反，於是就造成了外紫內紅的效果。

一般而言，虹與霓同時出現，而且霓更高。

只是由於霓多了一次反射，比虹弱很多，所以有時候人們認為只有一層彩虹。

美麗的彩虹讓人們產生了諸多幻想，古希臘人認為彩紅女神伊裏絲是宙斯的使者。但是隻有科學才能讓我們真正認識自然，瞭解自然。

雨過天晴，當我們呼吸著新鮮的空氣在公園散步的時候，偶爾會看到天邊有一座彩色的拱橋連接著天地，非常美麗，這就是「彩虹」。在我國古代的神話故事中，女媧用五色石補天，彩虹就是五色石傾瀉出來的光芒；西方神話故事中，則將彩虹視為一位女神，是溝通人間與天堂的使者。總之，美麗的彩虹都寄託了人們美好的心願和嚮往。

那麼彩虹到底是如何產生的呢？這就要從陽光的構成說起了。很久以來，人們一直以為陽光是沒有任何顏色的，因此彩虹這一美麗的事物讓大家困惑不已。

十三世紀時，一位叫做西奧多里克的德國傳教士在一個玻璃球殼中裝滿了水，陽光穿過時，他驚喜地發現出現了彩色的光芒。這是人類首次在實驗室中模擬了自然界中的彩虹。但他並不清楚彩虹產生的真正原因，猜測之所以出現彩色光芒，是因為陽光透過不同深度的水以後「蛻變」成為了彩色。

幾百年後的1637年，另一位著名的物理學家笛卡爾通過實驗檢驗了西奧多里克的推測。他發現，陽光透過不同厚度的玻璃，色彩並沒有什麼變化，從而推翻了西奧多里克的推論。在研究過程中，觀察入微的笛卡爾注意到，身邊的各種透明的物質對光線具有「彎折」的作用。這種彎折左右我們在生活中很容易觀察到，例如將一支筆插入水中，看起來筆似乎被折斷了一般。

隨著研究的深入，笛卡爾進一步發現，不同物質對光線彎折的「能力」不同，他將這種彎折光線的「能力」稱為「折射率」，並因此發現了著名的折射定律。笛卡爾的研究使得他可以初步的解釋彩虹的成因，甚至通過數學計算出了著名的「彩虹角」，即人觀看彩虹時的視線與太陽光的夾角。不過由於對陽光仍然沒有充分的認識，所以他無法解釋彩虹的彩色來源於何處。

直到一位大科學家出現，才使得人們揭開了彩虹的祕密，他就是大名鼎鼎的——牛頓。牛頓是科學史上劃時代的人物，在物理學、數學等諸多領域都做出了極大的貢獻，而當別人稱讚他的成就時，他卻謙遜地表示：「如果我看得更遠一點的話，是因為我站在巨人的肩膀上。」

牛頓從笛卡爾等科學家們的著述中得到了很多啟發，但他沒有迷信權威，選擇盲目地相信前輩們的推斷，而是提出了很多質疑。1666年，牛頓利用在家休假的時間，找來了一塊三稜鏡（三角形的柱狀玻璃），並將一個房間的門窗都封閉起來作為暗室，只在窗戶上開了一個小孔，讓陽光傾瀉進來。他將三稜鏡放置在小孔後，立刻在對面的牆上看到了色彩斑斕的彩色光帶，如彩虹一般，按照紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序排列著。這個實驗就是著名的「三稜鏡色散實驗」，這個實驗被譽為最美的科學實驗之一。

這一發現讓牛頓興奮不已，但他並未因此沾沾自喜，停滯不前。他想，既然三稜鏡可以將陽光分解為彩色光帶，是不是證明陽光就是由彩色光組成的呢？他找來第二塊三稜鏡放置在彩色光帶上，仔細調整三稜鏡的位置和角度，發現彩色光帶通過第二塊三稜鏡後，又變成了沒有色彩的陽光。

這一實驗有力地證明，陽光是由各種不同顏色的彩色光混合而成的。借用笛卡爾關於物質「折光能力」的描述，牛頓提出，陽光之所以能夠分解為不同顏色的光，是因為同一物質對不同顏色光的「折射率」不同。

那麼彩虹到底是怎麼產生的呢？正如牛頓發現的那樣，水這種透明物質對不同顏色的光折光能力是不同的。雨過天晴，天空中的還懸掛著許許多多的小水滴，這些水珠對陽光中紅色部分偏折能力差一些，對綠色光的偏折能力一般，對藍紫色光偏折能力強一些，使得原本陽光中不同顏色的光分解開，無色的陽光因此呈現出了斑斕的色彩，這就是我們看到的「彩虹」。

實際上，彩虹不一定非要雨過天晴時的天邊才能看到，只要滿足相應的條件，在很多環境中都可以見到。例如瀑布旁邊，由於湍急的水流飛奔而下，無數的小水珠飛濺到空中，形成了濛濛的霧氣，在恰當的角度就可以看到彩虹。

同樣，城市的噴泉旁也是觀看彩虹的絕佳場地。騰空而起的水柱落下時，會在空氣中留下大量的水珠，陽光正好的話，圍著噴泉轉一轉，也可能會看到美麗的彩虹。但觀看時一定要注意安全，不要被水花打濕哦！

　　彩虹是因為陽光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內亦以不同的角度反射。當中以40至42度的反射最為強烈，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時，陽光進入水滴，先折射一次，然後在水滴的背面反射，最後離開水滴時再折射一次，總共經過一次反射兩次折射。因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，紅光的折射率比藍光小，而藍光的偏向角度比紅光大。由於光在水滴內被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其他顏色在下。因此，彩虹和霓虹的高度不一樣，顏色的層遞順序也正好反過來。彩虹意旨光線經過兩次折射一次反射，霓虹則是光線經過兩次折射兩次反射。

（番禺日報）

彩虹，又稱天虹，簡稱虹，是一種很常見的物理光學現象。通常我們會在雨後陽光出現的時候看到，天空上方會形成拱形的七彩光譜，形狀彎曲，色彩十分艷麗。大家知道彩虹形成的原因嗎?雨後彩虹是怎樣形成的?下面我們就一起學習下關於彩虹的一些物理現象知識吧!

彩虹的形成：

其實只要空氣中有水滴，而陽光正在觀察者的背後以低角度照射，便可能產生可以觀察到的彩虹現象。彩虹是因為陽光射到空中接近圓形的小水滴，造成光的色散及反射而成的。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內也是以不同的角度反射。當中以40-42度的反射最為強烈，形成人們所見到的彩虹。彩虹最常在下午，雨後剛轉天晴時出現。這時空氣內塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因為仍有雨雲而較暗。而觀察者頭上或背後已沒有雲的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較容易被看到。