七彩是自然界最美的景观之一。七彩很好地说明了光的反射,另外两个证据是可见光由一连串可见光的谱线组成,每一可见光都具有不同的色调。要观赏七彩,您的后背必须朝着月亮,因为您要以大约40直角以上的视角注视着水蒸气中的漂浮雨滴或甚至于是轻雾的区域。每一单独的雨滴都甘当两个微小的反射镜,既零散强光,又将强光反射回您的双眼。当您看见夜空时,与特定色调相关的光的可见光会从胶体的子集到达您的双眼。大量胶体的净效应是在夜高空看见梯形。但是,究竟雨滴如何零散并反射光?为什么该模式始终从上到下显示为七彩?要认知那些问题,我们将需要对透射,外部反射和色散的认知。
强光透过科新耳的方向水蒸气中漂浮雨滴的子集甘呈色的透射器。雨滴的光密度与周围的水蒸气不同。光波越过边界线从一种电介质传播到另一种电介质时能发生透射。呈色步入雨滴时,速度降低引致光强朝切线卷曲。并在返回胶体后,光加速并偏移切线。强光在步入和返回胶体时能引致光强偏移。
强光能透过无数条方向跨过一滴。每条方向的特征是朝著和远离切线的卷曲。在讨论七彩时,一条非常重要的方向是光透射到胶体中,外部反射然后透射出胶体的方向。上图描绘了这样的方向,源自月亮的强光以稍微向上的抛物线步入胶体。在透射三次并反射一次之后,强光被反射并向上朝著地球表面的观测者卷曲。胶体的其他步入边线可能会引致相似的方向,甚至引致光继续跨过胶体并从相反的一侧射出而没有显著的外部反射。但是对于上图右图的入射边线,强光与发射塔成一定视角的视角返回水蒸气中的胶体。与透过具有不相连接边的反射镜透射光的情况一样,在胶体的两个边界线处的光透射会引致光散布到各种色调的谱线中。可见光较长的光碟和紫光的透射量比可见光较长的小星的透射量稍大。虽然边界线彼此不相连接,因而三次透射会引致月亮光显著分离成其组成色调。
三反射镜中的七彩强光在水中的透射对于小星,源自月亮的入射强光与指向观测者双眼的透射强光之间的偏移视角约为42度。虽然较长可见光的光碟比小星透射的趋势更大,因而它与原初月亮强光的偏移视角约为40度。示意图右图,小星以更平缓的视角从胶体向发射塔上的观测者透射。原初射线可透过多种方向跨过胶体并随后朝著发射塔倾斜。一些方向依赖于入射强光接触胶体的哪一部分。其他方向依赖于夜高空月亮的边线以及入射强光朝著胶体的后续抛物线。然而,在那些40-42度的偏移Ligni发现了最大的辐照度强光集中度。在那些视角下,反射光足够明亮,能在夜高空显示出七彩。
以上是强光透过单个胶体的方向,接下来能探讨七彩如何逐步形成的。
七彩的逐步形成七彩通常被视为夜高空的梯形。发射塔上的观测者检视到两个弧形的色调,红色是在弓的外部或顶部看见的色调。那些幸运地从高空直升机上看见七彩的人可能知道七彩实际上能是两个完备的圆圈。发射塔上的观测者只能看见圆的上半部分,因为梯形的下半部分是虽然发射塔的存在而被阻止的(而且很显著的事实是,漂浮的雨滴不会出现在发射塔下)。然而,高空直升机上的观测者通常能同时向上和向上看以查看完备的圆形弓形。
完备的七彩之所以逐步形成该圆(或弧形),是因为水蒸气中存在一连串漂浮的胶体,那些胶体能够相对于源自月亮的原初光强以40-42度的偏移视角集中零散的光。那些科新耳实际上逐步形成了两个梯形,弧内的每一科新耳单厢零散强光并将其反射回观测者。电弧内的每一胶体单厢透射并零散整个可见谱线。如上所述,小星以比光碟更平缓的视角朝著发射塔透射出胶体。因而,当观测者相对于发射塔由较陡的视角检视时,该视野内的雨滴将小星透射到观测者的双眼。源自那些相同胶体的光碟以不太平缓的视角或非,并沿着透过观测者头部的抛物线或非。因而,当相对于发射塔检视更陡的视角时,看见的是小星。类似地,当以不太平缓的视角观赏时,该视野内的雨滴将光碟引导至观测者的双眼,而小星以更平缓的视角向上指向观测者的脚。该讨论解释了为什么在七彩的顶部和外围检视到的是小星,而在七彩的底部和外部外围检视到的是光碟。
七彩不仅限于雨滴散布的强光。 瀑布底部的水溅起使水蒸气中的水雾经常引致逐步形成七彩。 后院洒水器是七彩的另两个常见现象。 明亮的强光,漂浮的雨滴和适当的视角是观赏七彩的三个必要组成部分。
部分资料来源:
Video:https://www.youtube.com/watch?v=xkDhQGXqwCM
Web:https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-4/Rainbow-Formation
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