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科学探索

彩虹的形成及彩虹角的计算

科学探索万象经验2023-05-08

普通白光由整个可见光谱组成,通过使用玻璃棱镜折射光,牛顿能够将光分成其组成成分的颜色。我们现在知道光的颜色是由光的波长或频率决定的:波长越长,频率越低,光越红;波长越短,频率越高,光越蓝。不同波长或频率的光被玻璃冷静折射的角度略有不同,这就是导致不同颜色扩散并形成连续光谱的原因。牛顿意识到许多不同的材料也可以折射光(包括水),这就是他理解雨滴形成彩虹的关键。

人们早就知道,为了让某人观察到彩虹需要三个条件。首先太阳需要在你身后,其次你面前的天空必须有雨滴,第三阳光必须能够在没有任何障碍物(例如云)的情况下直接到达雨滴。

如果我们使用的是一束蓝光而不是红光,这会有什么不同?在这种情况下,折射率会轻微改变,现在不是1.33而是1.34。虽然这似乎没有太大变化,但当我们将其代入斯涅尔定律时,它会产生31.85度的折射角,这导致蓝光在液滴内部的路径与红光不同,甚至与每一种颜色都不同。每种不同颜色光的折射角差异导致光在每个液滴中分散,最终产生彩虹的彩色带。

我们可以再利用斯涅尔定律,让空气的折射率为1,水对红光的折射率为4/3,于是可以得到:

对于这个结果,最好的方法是用图把它展示出来。我们以D(α)为纵坐标,以α为横坐标绘制曲线,如下图所示。