虹与霓的形成原理

彩虹是一种自然现象，是由大气中的水滴反射和折射太阳光线形成的。暴风雨过后风平浪静，空气中有大量的水，灰尘颗粒减少，能见度增加。这时，太阳对面的天空中会出现一条彩色的弧线，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色按一定的顺序排列。这种弧形有时可以看到两条，里面是红色，里面是紫色，亮色叫“彩虹”，里面是红色，外面是紫色，亮色叫“霓虹”。讨论了光在球形介质中传播的反射和折射引起的色散现象。然后讨论了氖的分布与太阳在天空中位置的关系。

彩虹怎么了？从实验测量的角度来看，彩虹的仰角是42度，而霓虹灯的仰角是50度。从现象学观察的角度来看，太阳在水滴中的全反射是彩虹一次，氖两次。

可见光分为红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色和紫色。可见光是电磁波，只是电磁波连续光谱的一小部分。

阳光是各种可见光的混合物，是白色的。当被棱镜、水等反射和折射时。，就会出现分散。彩虹和霓虹是太阳光通过大量的小球珠折射和反射后的散射现象。

彩虹，或彩虹，外面是红色，里面是紫色。氖(次级彩虹)，也称为次级彩虹。霓虹的颜色正好与彩虹相反，即外环是紫色的，内环是红色的。

太阳在水滴中的全反射是彩虹一次，霓虹灯两次。氖与彩虹的不同之处仅在于光在雨滴中产生二次内反射，因此当光穿过雨滴并击中我们的眼睛时，光弧带正好与彩虹相反。

1.彩虹的形成:

当一束平行的太阳光以图中所示的方向进入空气中的一个小水滴时，它由于折射而进入水滴并同时分散，然后在反射后离开水滴。由于红色光在水滴中的最小折射率，出射光和入射光是42度，而紫色光在水滴中的折射率是折射光和入射光的最大折射率是40度。

人眼沿直线追踪入射到眼睛的光的方向，在彩虹的最外侧看到偏转较小的红光，而折射率最大的紫光出现在彩虹的内侧。

2.氖的形成:

当一束太阳光折射成一个小水滴并在水滴中经历两次全反射时，折射率小的红光的出射光方向与入射方向成50.6度。大折射率紫光的出射方向与入射方向成53.6度。根据视觉的线性特征，人眼在空气中形成颜色分布，外侧变成紫色，内侧变成红色。

由于太阳光在穿过水滴后被反射两次，它比反射一次的光损失更多的能量，所以“氖”的亮度比“彩虹”的亮度要暗得多，所以它也被称为次虹，次虹位于主虹的上方，而主虹位于次虹的下方。主虹的颜色分布为紫外红，副虹的颜色分布为紫外和内红。人们通常观察到天空中的彩虹主要是初级彩虹和次级彩虹，因为它们太暗，不易观察到。

阳光也可以在水滴中经过三四次反射后形成彩带，这被称为第三彩虹和第四彩虹等。，但是它们的颜色较深，因此通常很难获得。

以空气中微小的水滴为反射介质:彩虹:当光进入水滴的界面时，发生色散；当分散的光线通过水滴与空气的界面时，分别进行一次全反射(反射点的位置略有不同，但都是连续的)，出射时(与原始光线方向矢量的夹角为钝角)，再通过水滴界面再次分散。霓虹灯:类似彩虹，但完全反射两次。因为全反射吸收了一部分光能，所以它看起来比彩虹更暗，而且丝带的方向与彩虹相反。

彩虹是由阳光照射到空气中的小圆水滴的散射和反射形成的。当阳光进入水滴时，它会以不同的角度同时进入，并且也会以不同的角度在水滴中反射。其中，40到42度的反射最强，形成了我们看到的彩虹。当这种反射形成时，阳光进入水滴，折射一次，然后在水滴的背面反射，最后在离开水滴时再次折射。因为水对光有色散作用，所以不同波长的光的折射率不同，蓝光的折射率大于红光的折射率。由于光在水滴中反射，观察者看到的光谱是相反的，红色在顶部，其他颜色在底部。事实上，只要空气中有水滴，并且阳光以较低的角度照射在观察者身后，就有可能出现可观察到的彩虹现象。彩虹最常见于下午，雨后天气转晴。此时，空气中的灰尘很小，充满了小水滴，天空的一边更暗，因为仍然有雨云。然而，观察者的头上或头后没有云，可以看到阳光，所以彩虹更容易看到。另一个经常看到彩虹的地方是瀑布附近。在阳光明媚的天气里，你可以背对着太阳向空中喷水或喷雾，也可以人工制造彩虹。

空气中水滴的大小决定了彩虹明亮的颜色和宽度。如果空气中的水滴很大，彩虹就会又亮又窄。另一方面，小水滴使彩虹变得更亮更宽。面对太阳时，我们看不到彩虹。我们只能看到太阳后面的彩虹。因此，朝霞出现在西方，而朝霞总是出现在东方。但是我们看不见它。我们只能从高空乘飞机才能看到它。彩虹的出现与当时的天气变化有关。一般来说，我们可以从天空中彩虹的位置来预测是晴天还是雨天。当彩虹出现在东方时，当地不容易下雨，而当彩虹出现在西方时，当地很可能下雨。冬天，气温相对较低，空气中不容易存在小水滴，而且很少有下雨的机会，所以冬天一般不会出现彩虹。彩虹实际上并不是半空中的特定位置。这是观察者看到的一种光学现象，彩虹出现的地方会随着观察者的变化而变化。当观察者看到彩虹时，它的位置必须与太阳的方向相反。彩虹拱门内的中心实际上是被水滴反射的太阳放大图像。所以彩虹里面的天空比彩虹外面的要亮。彩虹拱门的中心位置正好是观察者头部阴影的方向，彩虹本身在观察者头部阴影和眼睛之间的直线上方40到42度。因此，当太阳在空中超过42度时，彩虹在地平线下是看不见的。这也是彩虹很少在中午出现的原因。彩虹从一端到另一端横跨84度。对于典型的35毫米相机，需要焦距小于19毫米的广角镜头才能在一帧内拍摄整个彩虹。在飞机上，你会看到彩虹是一个原始的圆圈，而不是一个拱门，而圆圈彩虹的中心是飞机的方向。晚虹是一种罕见的现象，它可能发生在月光强烈的夜晚。由于人类的视觉在夜晚的弱光下很难分辨颜色，所以夜间彩虹看起来像全白的。

双彩虹，有时看到两个彩虹同时出现，在通常的彩虹之外出现同心的、但较暗的次生彩虹(也称为霓虹)。次级彩虹是由阳光在水滴中反射两次形成的。当阳光穿过水滴时，它会被折射、反射和再次折射。水滴中反射的光形成了我们共同的彩虹(主彩虹)。如果光线在水滴中反射两次，就会产生第二条彩虹(氖)。氖的颜色排列与主彩虹相反。因为每次反射都会损失一些光能，所以氖的亮度也很弱。两次反射中最强的反射角出现在50°和53°之间，因此次虹位于主虹之外。因为有两次反射，次彩虹的颜色顺序与主彩虹相反，外侧是蓝色，内侧是红色。事实上，次彩虹必须跟随主彩虹，只是因为它的光强度低，所以有时肉眼看不见。苏格兰上空的双重彩虹1307年，欧洲人认为彩虹是由水滴对阳光的折射和反射造成的。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光的折射。他用玻璃球注水进行实验，得到了水对光的折射率，并从数学上证明了彩虹的主虹是由水点的反射造成的，而次虹是由两次反射造成的。他精确地计算了彩虹的角度，但未能解释彩虹多彩的颜色。后来，牛顿用一面玻璃菱形反射镜将阳光散射成颜色，并发现了彩虹形成的所有光学原理。

彩虹总是弯曲的第一个原因是光的波长决定了光的弯曲程度。事实上，如果条件合适，你可以看到一圈彩虹。当阳光中的水滴被折射→反射→折射，然后射向我们的眼睛时，彩虹就形成了。不同颜色的太阳光束形成的彩虹光束与原始光束之间的偏转角约为180-42 = 138度。也就是说，如果阳光与地面平齐，观察彩虹的仰角约为42度。想象你正看着东方的彩虹，太阳在你身后的西方落下。白光穿过大气层，穿过你的头顶，到达东方，遇到从暴风雨中落下的水滴。当光束接触到水滴时，有两种可能性:首先，光可以直接穿透水滴，或者更有趣的是，它可以接触到水滴的前缘，进入时在水滴内部弯曲，然后从水滴的后端反射回来，然后从水滴的前端离开并向我们折射。这是形成彩虹的光。光通过水滴时的弯曲程度取决于光的波长(即颜色)，红光的弯曲程度最大，其次是橘色光和黄色光，依此类推，紫色光的弯曲程度最小。每种颜色都有特定的弯曲角度。对于阳光中的红光，折射角是42度，而对于蓝光，折射角只有40度，因此每种颜色在天空中出现在不同的位置。如果你用一条想象的线把你的后脑勺和太阳连接起来，那么与这条线成42度角的地方就是红色所在的地方。这些不同的位置勾勒出一条弧线。因为蓝色只与假想线成40度角，所以彩虹上的蓝色弧线总是在红色的下面。原因二:它与地球的形状密切相关。彩虹弯曲的原因当然与它们的形成密切相关。它也与地球的形状密切相关。由于地球表面是弯曲的，被厚厚的大气层覆盖，雨后空气中的含水量比平时高。当阳光照射到空气中的小水滴时，它们会被折射。与此同时，地球表面的大气是弯曲的，这导致阳光在表面折射，形成我们看到的弯曲的彩虹。

讨论:上图中的水滴是椭圆形的。如果水滴是标准球体，则在水滴和空气之间的界面处不会发生全反射，因为光束从空气进入球体，并在第一次折射后到达水球和空气之间的界面。此时，入射角小于临界角，不会发生全反射，这可能是反射率较高的反射。事实上，水滴的形状在顶部是圆的，在底部是平的，因为水滴本身是一种流体。根据流体力学原理，当流体球在空气中*下落时，前端受到最大的压力，导致前端变平，而后端保持圆形，从而形成馒头的形状。当光进入上方圆上的一滴水时，它第一次被折射，第二次被完全反射，第三次被再次折射形成彩虹。“太阳水平照在一滴水上。光线折射两次，全反射一次，然后发出水滴。氖是通过二次折射和全反射形成的。摘录，“光折射成水滴——几次反射——折射水滴。当然，中间的几次反射并不完全，每次只有一部分能量被反射，而另一部分确实通过折射损失了。因此，一般来说，只有一个反射是彩虹，两个是霓虹灯。不管多少次，你什么也看不见。上次我看到一张照片，我反射了三次，但是它很轻。此外，如果你画一幅画，你会发现水滴在标准圆内不可能全反射，因为前一次折射/反射的出射角等于后一次折射/反射的入射角，之后每次都会发生折射。”“彩虹和霓虹是雨滴对阳光的折射、散射和全反射的综合作用产生的。在适当的观察条件下，可以看到两条弧线，内弧叫做彩虹，外弧叫做霓虹。里面的彩虹更亮，它的外面是红色的，里面是紫色的。外面的霓虹灯颜色较浅，其颜色顺序与彩虹正好相反。”