炎熱的夏季，一場(chǎng)大雨，天空開始放晴后，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)天空出現(xiàn)了一條彎彎的、連續(xù)的彩色光帶，也就是咱們俗稱的“彩虹”。
就如為什么天空是藍(lán)色的一樣，人們對(duì)于日常生活中司空見慣的現(xiàn)象，很少會(huì)主動(dòng)發(fā)出疑問(wèn)。但話又說(shuō)回來(lái)了，天空藍(lán)色是由于大氣分子對(duì)光的散射作用，那么彩虹為何彎曲，又為何擁有七彩顏色呢？
透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，彩虹這種現(xiàn)象很明顯屬于光學(xué)現(xiàn)象，因此想要解釋這種現(xiàn)象的成因，必定離不開光及其傳播性質(zhì)。因此咱們接下來(lái)就來(lái)詳細(xì)的談一談這個(gè)問(wèn)題。
從牛頓利用三棱鏡發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光是復(fù)合光（能分解出多種單色光），而彩虹的顏色正好對(duì)應(yīng)著太陽(yáng)光色散后的多種顏色，因此彩虹的形成應(yīng)該離不開一個(gè)被稱為“折射”的過(guò)程。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，天空中的小水珠恰好起到了這個(gè)折射作用（這也是為什么彩虹比較容易出現(xiàn)的雨后的晴天）。
因此咱們先從單個(gè)小水珠出發(fā)，見下圖
圖中的圓圈代表一個(gè)小水珠，而實(shí)線則代表光線。從入射光開始，當(dāng)光線穿過(guò)水珠表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)折射現(xiàn)象（也會(huì)有一部分被反射走），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光線的方向發(fā)生了偏折，而這個(gè)偏折的角度可以由明確的物理定律給出（與折射率有關(guān)）。
當(dāng)?shù)谝淮握凵渫瓿珊螅饩€繼續(xù)在水珠內(nèi)傳播，當(dāng)?shù)诙斡龅剿檫吘墪r(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射的現(xiàn)象（也有一部分被折射出去，全反射除外）；而反射后的光線最后會(huì)第三次碰到水珠邊緣，此時(shí)光線又會(huì)出現(xiàn)第二次的情況，一部分反射、一部分折射。因?yàn)樽罱K我們能看將彩虹，因此我們需要研究的是光線在水珠內(nèi)經(jīng)歷折射、反射、再折射的過(guò)程。
既然牛頓的色散實(shí)驗(yàn)告訴我們太陽(yáng)光是復(fù)合光，那么一束光線入射小水珠時(shí)，我們就可以研究其中的一種單色光的行為，因?yàn)樗閮?nèi)對(duì)不同單色光的折射率是不一致的，因此先研究一種單色光，比較方便。
比如咱們先從紅光開始，因?yàn)椴豢赡苤挥幸粋€(gè)光子進(jìn)入水珠，而是無(wú)數(shù)條平行紅光會(huì)入射水珠，所以水珠的一面上的各點(diǎn)都在發(fā)生折射，而由于各點(diǎn)入射角的差異，導(dǎo)致最后光線從水珠出來(lái)時(shí)，光線的密集程度也不一樣，即強(qiáng)度不一致（可以見下面的動(dòng)圖）
我們發(fā)現(xiàn)，在其中一個(gè)角度上，光線是較為密集的（強(qiáng)度大），所以這個(gè)角度上的光就最容易被感知。那么這個(gè)角度是怎么得來(lái)的呢？(或者說(shuō)那里光線比較密集是怎么發(fā)現(xiàn)的)
第一種方法就是畫圖，但為了準(zhǔn)確就需要畫出非常多的光線，并且最后也只能給出一個(gè)模糊的范圍。因此，咱們就采用最精確的數(shù)學(xué)計(jì)算，從幾何關(guān)系咱們可以得到一些角度之間的函數(shù)方程和圖案，最后發(fā)現(xiàn)，如果是紅色光，那么光線密集處就集中在42.5度附近（前一幅圖中的γ角）
然而還有一點(diǎn)是動(dòng)圖所沒有給出的，就是立體性
因?yàn)閯?dòng)圖給出的是二維畫面，但實(shí)際上水珠是球形立體的，因此可以想象當(dāng)光線照射水珠時(shí)，最后出來(lái)的光線應(yīng)該是向四周散去，而其中光線最為密集的就形成了一個(gè)近似光錐的形狀（見下圖）
只要人眼處于這個(gè)光錐面上的任意一點(diǎn)，都可以看到水珠折射出的紅光。可以想象，當(dāng)天空中小水珠比較充足且均勻時(shí)，各個(gè)小水珠都可以成為折射光源，但由于咱們?nèi)酥挥幸粋€(gè)，且只能處于空間中指定的一點(diǎn)，因此人只能處于一部分角度恰當(dāng)?shù)乃楣忮F面上。
在這個(gè)光錐面上的每一個(gè)小水珠都成了彩虹的一分子，但我們無(wú)法分辨出各個(gè)小水珠離咱們的距離，但由于處在一個(gè)光錐面（也就是角度相同），因此最后給我們的感覺就是在天空中某個(gè)距離的平面上形成了一條彎曲的光帶，這就是彩虹為什么是彎的原因。
但上圖這樣的彩虹應(yīng)該是不可能出現(xiàn)的，彩虹的側(cè)面是不存在的，從上面的解釋可以看出，我們只能從彩虹的正前方觀看。
但上面只說(shuō)了單色紅光的情況，那么彩虹中其它顏色的光又是怎么樣的呢？又是怎樣按照紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫 的順序排列出的呢？
在之前那個(gè)小水珠的圖上，我們看到了α、β、γ三個(gè)代表角度的字母，其中α是光線最后偏折的角度，β是入射角，γ是180度減去α后剩下的角度，這個(gè)角度代表著該方向的光線將被人眼觀測(cè)到。
由于各單色光的在水珠中的折射率不一致，因此最后形成的γ角也不一致，其中紅色光最大，約42.5度，而藍(lán)紫光在41度左右。由于角度的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致彩虹的顏色由上而下依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等等。
于是乎，彩虹為什么是彎的，色彩的由來(lái)等就這樣被光學(xué)規(guī)律明確的解釋了。
最后還要告訴大家一點(diǎn)就是，由于每個(gè)人站的空間位置都是不一致的，那么發(fā)出彩虹顏色的小水珠也都不相同，因此每個(gè)人看到的彩虹都是獨(dú)一無(wú)二的，每個(gè)人都有屬于他自己的彩虹。
本篇文章的內(nèi)容到此結(jié)束。
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