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有趣的知识又增长了:彩虹形成的光学原理 雨后初晴时,天空中突然架起一道七彩拱桥,红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色依次排列,仿佛童话世界的入口。这个让古今中外无数人惊叹的自然现象,其实是阳光和水滴共同上演的光学魔术。为什么彩虹总是弯的?为什么只有雨后才能看见?双彩虹外侧的浅色弧光又是什么?让我们用最简单的方式,揭开彩虹背后的科学密码。 阳光是隐藏的彩虹颜料 我们平时看到的阳光是白色的,但牛顿早在1666年就用三棱镜证明:白光其实是由多种颜色的光混合而成。当阳光穿过三棱镜时,不同颜色的光会以不同角度偏折,在墙上投射出彩色光带——这就是光的色散现象。彩虹的形成,正是大自然用水滴代替了三棱镜,将阳光分解成了彩色光谱。 每种颜色的光具有不同的波长:红光波长最长(约700纳米),紫光最短(约400纳米)。当阳光进入水滴时,波长不同的光会产生不同程度的偏折:红光偏折角度最小,紫光最大。这种差异就像一群性格各异的孩子穿过弯道,步伐大的(红光)走外道,步伐小的(紫光)走内道,最终在天空中拉开距离,形成了按波长排列的彩色光带。 水滴里的光反射游戏 彩虹的形成需要三个关键步骤:折射-反射-再折射。当阳光从空气进入水滴(两种不同介质)时,会发生第一次折射;进入水滴后,光线在水滴内壁反射;最后从水滴射出时发生第二次折射,最终到达我们的眼睛。这个过程中,阳光不仅被分解成彩色光,还被水滴“定向投递”到特定方向。 为什么彩虹总是弯曲成圆弧?这和太阳、水滴、观察者三者的位置关系有关。只有当太阳在我们身后,且高度角低于42度时,我们才能看到彩虹。此时阳光进入水滴后,经过一次反射和两次折射,会以约42度的角度返回——这个角度被称为“彩虹角”。天空中所有符合这个角度条件的水滴,共同组成了一个以观察者眼睛为顶点的圆锥面,反映在天空上就是一道圆弧。如果站在高山或飞机上,甚至可能看到完整的圆形彩虹!
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