彩虹的形成
彩虹的形成
要想瞭解彩虹是如何形成的,首先要知道
色散
太陽所發出的光包含有各種不同顏色的光線
太陽光其實包含有各種不同頻率的光(或者稱為電磁波)。
其中只有頻率在3.90×10^14Hz~7.89×10^14Hz(及波長約在
770nm~380nm之間)的電磁波是人眼可見的,我們稱為可見光。
不同頻率的光線進入人眼,我們會看見不同的顏色。
當光線行進時在兩不同介質的介面上會產生反射或折射的現象
光線行進若遇到不同的介質,在兩介質的接觸面上會 有部
份光線會被反射回原介質。
反射的光線一定滿足反射定律(入射角等於反射角),即
∠a=∠b。
光線行進若遇到不同的介質,有部份光線會穿透過去,穿透過的光線會因
為在不同的介質中會產生速度變化而改變行進的方向。
如果光線是由速度快的介質進入速度慢的介質時,那麼光線會偏向法線,即∠a>∠b。
如果光線是由速度慢的介質進入速度快的介質時,那麼光線就會偏離法線,即∠a
不同頻率的光線在介質內的行進的速度並不相同
不同頻率的光線(或稱不同顏色的色光)在介質內的行進速度並不相同,因此當光線在兩介質的介面上發生折射時,不同頻率的光線折射角便不相同。於是由許多種不同頻率光線所組成的陽光在發生折射時,不同頻率的光線會從不同角度折射出來,形成 紅 澄 黃 綠藍 靛 紫 等彩色的條紋,我們說光線發生『色散』了。。
虹與霓的形成
當太陽光在天空行進,遇到天空中細小的水滴時,光線會被折射進入水滴內,
由於不同顏色的光線折射的角度不同,於是水滴內不同顏色的光線便被分開了。
當光線要由水滴內穿出時,會第二次遇到水滴與空氣的邊界,大部份的光線會很快又折射出去。
而少部份的光線會被反射回水滴內,當這些光線再次要穿出水滴時,會第三次遇到水滴與空氣的邊界,
這時部份被折射出去的光線會形成 『虹』,所以說 『虹』 在水滴中經過了 一次反射 及兩次折射。
而少部份又被反射的光線,在第四次遇到水滴與空氣的邊界時才被折射出去,則會形成『霓』。
因為『霓』比『虹』多經過了一次的反射 (兩次反射及 兩次折射),所以 『霓』的光線強度會比『虹』弱很多。
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。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,藍光的折射角度比紅光大。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,其他顏色在下很多時候會見到兩條彩虹同時出現,在平常的彩虹外邊出現同心,但較暗的副虹(又稱霓)。副虹是陽光在水滴中經兩次反射而成。兩次反射最強烈的反射角出現在50°至53°,所以副虹位置在主虹之外。因為有兩次的反射,副虹的顏色次序跟主虹反轉,外側為藍色,內側為紅色。副虹其實一定跟隨主虹存在,只是因為它的光線強度較低,所以有時不被肉眼察覺而已。
彩虹其實並非出現在半空中的特定位置。它是觀察者看見的一種光學現象,彩虹看起來的所在位置,會隨著觀察者而改變。當觀察者看到彩虹時,它的位置必定是在太陽的相反方向。彩虹的拱以內的中央,其實是被水滴反射,放大了的太陽影像。所以彩虹以內的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置,剛好是觀察者頭部影子的方向,虹的本身則在觀察者頭部的影子與眼睛一線以上40°至42°的位置。因此當太陽在空中高於42度時,彩虹的位置將在地平線以下而不可見。這亦是為甚麼彩虹很少在中午出現的原因。
彩虹由一端至另一端,橫跨84°。以一般的35mm照相機,需要焦距為19mm以下的廣角鏡頭才可以用單格把整條彩虹拍下。倘若在飛機
上,會看見彩虹會是完整的圓形而不是拱形,而圓形彩虹的正中心則
是飛機行進的方向。
為何彩虹是圓弧形
事實上如果條件正確的話,可以看到整圈圓形的彩虹。
由 彩虹的原理 動畫中,已經知道彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠 經過 折射→反射→折射 後射向我們的眼睛所形成。
不同顏色的太陽光束 經過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約
180 - 42 = 138度。
也就是說,若太陽光與地面水平,則觀看彩虹的仰角約為 42度。 通常剛下過雨後,天空佈滿小水滴,當我們背對著太陽時,我們很容易看到『虹』(仰角 42o 附近,紅色在上),但『霓』(在仰角50o 附近,紅色在下)則較不容易觀察到。
光線經過小水滴折射、反射後進入人眼,不同的水滴將光線折射至不同方向,所以人眼是從不同水珠看到不同的色光,數百萬顆的水珠聚集在一
起,所以我們可以看到一個完整的彩虹,如圖所示。
太陽光經空氣中的小水滴折反射而進入我們眼中,會形成以我們的眼睛為頂點的圓錐。我們看到虹、霓的形狀實際上是一圓錐的一部分(剩下部分被地平線阻擋),此圓錐的中心軸平行於太陽光且通過我們的眼睛,所以看起來是虹與霓均為圓弧形。
因為同一色光的折射角固定,因此每個人所看到的彩虹仰角皆相同,但是因為每個人所站的位置不同,所以看到的彩虹都不是同一個(不同的水滴所形成)。
不同頻率的色光相對於介質的射率並不相同,
太陽光本身包含有不同顏色(頻率)的色光
因此太陽光產生折射時 不同顏色的光線折射角會不相同 而分開 於是形成色散現象,如右圖!
大自然中偶而見到的彩虹便是色散最美好的例證。
如下圖,當太陽所在天空中行進遇到細小的水滴時
極少部份的光線會反射回空氣中,大部份光線會折射進入水滴內。
由於不同『顏色』的光線在水滴表面折射時偏
向的程度不同,
於是水滴內不同顏色的光線便被稍微分開。
當光線第二次遇到水滴與空氣的邊界時,大部
份的光線會很快又折射出去,
如上圖中往右下方折射出去的光線。
少部份的光線則產生反射繼續在水滴內直線行
進,
直到第三次遇到水滴與空氣的邊界。
此時大部份被折射出去的光線,
因為經過兩次折射不同顏色的光線分得更開,
有可能會形成我們所看到的「虹」(如圖中往
下方射出的光線)。
至於少部份又被反射回水滴內的光線,
第四次遇到水滴與空氣的邊界時,依然大部份會被折射出去,
如圖中朝上方射出去的光線。
這些光線因為射向天空,因此在地面上的人並無法看到。
但是另一束從水滴下方射入的光線,經過「折射-反射-反射-折射」的歷程後便會射向地面。
這些分散的光束很可能形成所看到的「霓」。
上圖將平行射向水滴光束所有紅色光束在水滴內前三次折射的光徑合併在一起。 射向圖形右邊第一次折射出去的光線約佔90%。
往下方射出的光線有兩處顯得較密,分別對應所看到的「虹」與「霓」。 光線必須進入眼中才會被我們看見,因此對應上圖的情形,
人必須面對右邊,
也就是背對太陽時才有機會看到太陽光所形成的彩虹。
當太陽光線平行於地面時,可以在仰角40-42°
附近看到「虹」,
更微弱的「霓」則可能在仰角51-54°附近被察
覺。
背對太陽時,所有同時進入眼中成固定夾角
的光線(如上圖中42°的紅光)是一個圓椎,
因此所看到的彩虹是圓弧形。
而且不同人所看到的彩虹,是從不同水滴折射出來的。
所見到同一道虹,藍光與紅光也是來自不同水滴折射出來的。 可以說每個人都看到專屬於自己的彩虹。
組員:高嘉寶 陳道銘 洪章堅