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对光的本质的探索
对光的本质的探索
在近代物理学中,最早关心光的本性问题的是笛卡儿,他提出了粒子学说。
17世纪中叶,意大利博洛尼亚大学数学教授格里马第对光的本性做了认真的实验研究和思考,1660年明确指出光的本性是波,反驳了笛卡儿的粒子说。
在他去世后2年,即1665年他的书《发光、颜色和彩虹的物理和数学》出版,记载了“衍射”实验以及他对衍射提出的解释。
同年胡克的《显微术》总结了笛卡儿和格里马第的思想,猜想光的颜色决定于光振动时的频率。
1672年牛顿提出光的颜色理论时,他利用粒子观点,解释颜色的复合和分解。
胡克立即对牛顿的粒子说进行了批评。
牛顿和胡克在光的本性问题上的分歧,激发了惠更斯的好奇心,促使他认真研究光的本性。
荷兰物理学家惠更斯(1629-1695)是17世纪与开普勒、伽利略、笛卡儿、牛顿齐名的科学家。
他的父亲是一位著名的诗人、重要的文官,曾担任驻外大使和国家顾问,与当时许多著名学者都有交往。
笛卡儿是他家的常客,伽利略为了精确计算时间,曾向惠更斯的父亲求教。
从小受到良好教育的惠更斯对数学有特殊的爱好和敏感,当他在1655年获得法律学博士学位后。
就潜心钻研数学、天文学和物理学,并取得了重大成就。
1689年,惠更斯的名著《论光》问世,阐述了他在波动光学方面的全部成果,在一定程度上,这本书可以与牛顿的《光学》相媲美。
惠更斯不同于格里马第和胡克,他不仅坚持波动说,而且通过实验和几何学,建立起光波动说的基本观点,从而成为波动说的代表人物。
惠更斯不仅提出光是一种波,而且还提出“惠更斯原理”,用这一原理可以精确计算和解释光的反射、折射和衍射。
1678年惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学名著《论光》,并就光的波动说向院士们作了阐述,在阐述中反驳了牛顿的粒子学说。
于是,一场科学史上著名的争论就在惠更斯和牛顿之间爆发了。
牛顿在得知惠更斯的反驳之后,开始修改和充实他在1675年就动手写的《光学》一书,以进一步发展他的粒子学说,反驳惠更斯的责难。
1704年,牛顿的《光学》公开出版。
在这本书里,牛顿主要以光的色散、反射和折射现象为基础,坚持对光的本性作粒子的解释。
牛顿还通过光的粒子说,把所有自然现象都融进他的质点力学体系之中,而牛顿的机械自然观也通过光的粒子说,有一进一步的发展,以至成为此后近300年占统治地位的科学自然观。
18世纪,大部分科学家接受了牛顿的粒子学说,放弃了惠更斯的波动说。
一是因为惠更斯的波动说缺乏数学的完美性,加上惠更斯1695年去世,胡克1703年去世,波动说失去了他们的主将,再没有人与牛顿进行论战;另一个原因是牛顿的科学声誉越来越高,而且他把粒子学说纳入壮丽而完美的力学体系之中,这更令人神往。
因此,18世纪光学没有什么大的发展。
在科学史上,18世纪是一个相对停滞的世纪。
16-17世纪,自然科学中那种风起云涌、轰轰烈烈的科学革命和丰功伟绩,在18世纪悄悄地消失了。
神学自然观和形而上学自然观形成了一个新思想枷锁,限制、阻碍了科学的发展。
首先是牛顿,他到晚年越来越滑向神学,最后他甚至用上帝的“第一推动”来解释宇宙的生成、运动,而且他认为宇宙是不变的。
后来,由于一些哲学家的加工,这种神学自然观更加系统化,成了臭名昭著的“神创论”。
在生物学中,林奈的物种不变论,更加强了神学的自然观。
恩格斯曾经带着强烈的讽刺提到这种非常浅薄的“神创论”,他说:
“根据这种理论,猫被创造出来是为了吃老鼠,老鼠被创造出来是为了给猫吃,而整个自然界被创造出来是为了证明造物主的智慧。
”这样,整个自然科学领域在18世纪陷入停滞不前的局面,科学思想也逐渐僵化。
光学领域也是如此。
粒子学说被奉为金科玉律,谁也不敢触动它一根汗毛。
人们所能作的是宣传、讲授牛顿的粒子理论,重复牛顿的实验。
在长达一个世纪里,光学几乎毫无进展。
托马斯·杨生在英国一个银行家的富裕家庭,从小可说是一个神童。
两岁就会看书,14岁已掌握多种语言。
他贪婪地阅读各种各样的书,包括文学作品、科学著作。
还十分喜爱各种乐器。
他长大后,天赋并没有衰退,所以他在剑桥大学读书时被人们称为“奇人杨”。
后来他学习医学,主攻生理光学。
但他对行医不怎么有兴趣,接受皇家学院的邀请讲授自然科学,可惜他缺乏讲课必需的才能,讲课常常超出了学生的理解能力,因而不久他就离开了皇家学院,不得不把大部分时间用于行医。
幸运的是他从1802年被选为皇家学会的外事秘书,这个职务一直担任到去世为止。
这个职务虽然不会给他带来什么经济上的好处,但可以使他不至于只是一个医生,而远离科学研究。
杨看到了牛顿的光学理论有严重的缺陷,值得人们深思。
他指出:
“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是万无一失的。
我遗憾地看到他也会弄错。
而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。
”杨进行了一系列的光学实验,以便彻底否定牛顿的粒子学说。
1801年,杨成功地完成了著名的“杨氏双缝干涉实验”。
但杨的意见提出后,立即遭到了英国同行的激烈反对。
法国的一些拥护牛顿理论的人也不赞成杨的意见。
在强大的反对势力面前,杨无可奈何,只好暂时不去研究光学,除了行医以外,他将业余兴趣转移到研究象形文字等方面。
人们反对杨的意见,原因是多方面的,一方面牛顿的权威不那么容易搬倒,另一方面,杨本人的理论还极不完善,想靠一个实验就否定一个100多年被人们维护的理论,可以说是天方夜谈。
而且人们可以用别的假说解释双缝干涉现象。
因此,在1819年底以前,光的波动说的复兴似乎没有希望了。
但到1820年法国的菲涅尔扭转了对波动说不利局面,英国物理学家丁铎尔说:
“杨的天才被他的同胞们压制了,他们激烈地挖苦他,对他品头论足,整整20年,杨被当作一个说梦话的人。
杨应该感谢著名的法国学者菲涅尔和阿拉果,是他们恢复了他的荣誉。
”
菲涅尔(1788-)是法国物理学家,杨是个神童,菲涅尔却是智力发展很迟,8岁时才识字。
菲涅尔设计了一个比杨的实验更为巧妙的光的干涉实验,可以说菲涅尔双镜实验是证实光是一种波动的关键性实验。
1815年菲涅尔专程去巴黎拜访阿拉果,阿拉果立即发现菲涅尔是一个很有才能的研究者,而且还发现菲涅尔与杨有一个很大的不同,那就是菲涅尔有很高的数学修养,他的论文不仅详细而且处处有定量的计算。
尽管阿拉果遗憾地告诉菲涅尔,光的干涉实验已由杨十几年前就做过了,但阿拉果看出,菲涅尔的创造性工作有可能使光的波动说取得胜利。
事实上,阿拉果原来是坚持光粒子说的代表人物,但在认识了菲涅尔之后,他很快转变了立场,相信光的波动说了。
阿拉果对菲涅尔的期望没有落空,菲涅尔果然扭转了乾坤。
1818年菲涅尔向法国科学院提交的论文使评审委员会的五名成员都信服了,菲涅尔的论文有精致的数学论证,这使重视数学的法国科学大师们感到满意,最令他们注意的是菲涅尔根据严格的数学推导,可以得出一个十分奇怪的结果:
用光照射一个很小的圆板,在圆板后面的阴影中心应该有一个亮点。
这个推论的结果似乎是非常荒谬的,评审委员们都不相信,但实验证明,阴影中心果然有一个亮点。
于是,菲涅尔的论文获得了头奖。
随后,菲涅尔又作出了一系列关键性的实验,使光是一种波动得到了最终的证实。
1821年光的波动理论以更精致、更完善的形式,由菲涅尔公布于世。
光粒子说从此“落花流水春去也”,波动说则“冬至阳生春又来”,取得了正统地位。
二英国物理学家牛顿(1642-1727)
1、色散现象的早期研究
色散也是一个古老的课题,最引人注目的是彩虹现象。
早在13世纪,科学家就对彩虹的成因进行了探讨。
德国有一位传教士叫西奥多里克,曾在实验中模仿天上的彩虹。
他利用阳光照射装满水的大玻璃球壳,观察到了和空中一样的彩虹,以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。
不过,他进一步解释没有摆脱亚里斯多德的教义,继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。
光的四种颜色:
红、黄、绿、蓝,处于白与黑之间,红色接近白色,比较明亮,蓝色接近黑色,比较昏暗。
阳光进入媒质(例如水),从表面区域折射回来的是红色或黄色,从深部折射回来的是绿色或蓝色。
雨后天空中充满水珠,阳光进入水珠再折射回来,人们就看到色彩缤纷的景象。
笛卡儿对彩虹现象也有兴趣,他用实验检验西奥多里克的认述。
在他的《方法论》(1637)中还有一篇附录,专门讨论彩虹,并且介绍了他自己做过的棱镜实验,如图所示。
他用三棱镜将阳光折射后投在屏上,发现彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成。
因为不论光照在棱镜的那一部位,折射后屏上的图象都是一样的。
遗憾的是,笛卡儿的屏离棱镜太近(大概只有几厘米),他没有看到色散后的整个光谱,只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色。
1648年,布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。
不过他解释错了。
他认为红色是浓缩了的光,蓝色是稀释了的光;之所以会出现五颜六色,是由于光受物质的不同作用,因而呈现各种不同的颜色。
17世纪正当望远镜、显微镜问世,伽利略运用望远镜观察天体星辰,胡克用显微镜观察小物体,激起了广大科学界的兴趣。
然而,当放大倍数增大时,这些仪器不可避免地都会出现象差和色差,使人们深感迷惑。
人们不理解,为什么在图象的边缘总会出现颜色?
这和彩虹有没有共同之处?
这类现象有什么规律性?
怎样才能消除?
这时,牛顿正在英国剑桥大学学习。
他的老师中有一位数学教授名叫巴罗,1630-1677),对光学很有研究。
牛顿听过他讲光学,还邦他写《光学讲义》。
牛顿很喜欢做光学实验,还亲自动手磨制透镜,想按自己的设计装配出差的显微镜和望远镜。
这个愿望激励他对光的颜色的本性进行深入的探讨。
2、牛顿对色散现象的思考
牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。
例如笛卡儿说过:
“运动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害,”胡克描述过肥皂泡的颜色变化,认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。
红色和蓝色是原色,其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。
牛顿注意到这些说法的合理成分,同时也提出许多疑问。
在牛顿留下的手稿中,记录了许多当年的疑问微压测高计思考,
例如,他问道:
如果光是脉冲,为什么不像声音那样在传播中偏离直线?
为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快?
为什么水比水蒸汽更清晰?
为什么煤是黑的,煤烧成的灰反而是白的?
牛顿不满意前人(包括他的老师)对光现象的解释,就自己动手做起了一系列的实验。
3、牛顿的色散实验
牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发,又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。
胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜,屏距折射位置大约60厘米,玻意耳把棱镜散射的光投到1米多高的天花板上,而牛顿则将距离扩展为6-7米,从室外由洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。
这样,他就获得了展开的光谱,而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。
牛顿高明之处就在下他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能,只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。
为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能,牛顿用棱镜做了如下的实验。
如图所示,在一张黑线上画一条线,半边为深蓝色,半边为深红色,比棱镜观看,只见这根线好象折断了似的,分界处正是红蓝之交,蓝色部分比红色部分更靠近棱脊。
可见蓝光比红光受到更大的折射。
为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用,也不是由于其它原因,而是由于不同颜色具有不同的折射性,牛顿又做了一个实验。
他拿三个棱镜做实验,三个棱镜完全相同,只是放置方式不一样,如图所示,倘若分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性,那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性。
可是实验结果是,原来分散的各种颜色,经过第二个棱镜后又还原成白光,形状和原来的一样。
再经过第三个棱镜,又分解成各种颜色。
由此证明,棱镜的作用是使白光分解为不同成分,又可使不同光分合成为白光。
牛顿的这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。
他预料会遭到科学界的反对,于是又做了一个很有说服力的实验。
牛顿把这个实验称为“判决性实验”,如图所示。
他拿两块木板,一块放在窗口紧贴棱镜处,光从平行进入后经棱镜折射穿过小孔,各种颜色以不同的角度射向另一块木板。
离约4米远,板上也开有不孔,在后面也放有一块三棱镜,使穿进的光再折射后抵达墙壁。
牛顿手持第一块棱镜,缓缓绕其轴旋转,这样使第二块木板上的不同颜色的光相继穿过到达三棱镜。
实验结果是:
被第一块棱镜折射得最厉害的紫光,经第二块棱镜也偏折最多。
由此可见,白光确是由折射性能不同的光组成。
在色散实验的基础上,牛顿总结出了几条规律,即:
1.光线随其折射率不同,色也不同。
色不是光的变态,而是光线原来的、固有的属性。
2.同一色属于同一折射率,不同的色,折射率不同。
3.色的种类和折射的程度是光线所固有的,不会因折射、反射或其它任何原因而改变。
4.必须区分两种颜色,一种是原始的、单纯的色,另一种是由原始的颜色复合而成的色。
5.本身是白色的光线是没有的我,白色是由所有的光线按适当比例混合而成的色。
6.由此可解释棱镜形成各种色绵现象及彩虹的形成。
7.自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故。
8.把光看成实体有充分的根据。
三
牛顿的彩虹
人们都见过彩虹,白云间挂着一条弯弯的七彩虹霞,甚是美丽。
彩虹现象很早就引起人们的注意,至少远溯至亚里士多德时代,科学家就试图对彩虹给出解释,但那时认为光的本色是白色,像虹那样的有色现象是光的变态。
早在14世纪初,有人已经能用实验模仿天上的彩虹。
如德国有一位传教士叫德奥多里克,他利用阳光照射装满水的大玻璃球壳,观察到了和空中类似的彩虹,以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。
但他的解释没有摆脱亚里士多德的教义,继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。
笛卡尔对彩虹现象也有兴趣,在他的《气象学》专门有对彩虹的论述。
尽管他对彩虹颜色的解释并不正确,但他解释了彩虹的圆形及其固定的角半径。
1648年,布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。
不过他解释错了。
他认为红色是浓缩了的光,蓝色是稀释了的光;之所以会出现五颜六色,是由于光受物质的不同作用,因而呈现各种不同的颜色。
在牛顿之前,很少有人认真地做过实验。
牛顿在大学时就开始对光学问题发生兴趣,当时他试图制造望远镜,想消除望远镜的色差缺陷,为了找出克服色差的方法,他决意研究颜色现象。
牛顿不满意前人(包括他的老师)对光的颜色现象的解释,就自己动手做起了一系列的实验,用各种精确实验解答对光现象的疑问。
1666年他购得一块玻璃三棱镜,开始研究色散现象,但他的实验由于瘟疫而中断了两年。
牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发,又借鉴了胡克和玻意耳的分光实验。
胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜,屏距折射位置大约60厘米,玻意耳把棱镜散射的光投到1米多高的天花板上,而牛顿则将距离扩展为6~7米,从室外由洞口进入的日光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上,他就获得了展开的光谱。
1672年他在《哲学学报》上发表了他的第一篇科学论文,介绍了他的光学实验。
他在给奥尔登伯格的一封信中解释说:
“把我的房间弄暗,在窗板上钻一个小孔,让适当的日光进来。
我再把棱镜放在日光入口处,于是日光被折射到对面墙上。
”牛顿看到墙上有彩色的光带,他意识到这些彩色就是组成白色日光的原始光色。
牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能,只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。
为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能,牛顿又用棱镜做了进一步的实验,他把这个实验称为“判决性实验”。
他拿两块木板,距离约4米远,每块板上开有一个小孔,位置放在窗口处第一个棱镜后面,日光经棱镜折射后形成彩色光,让一部分穿过木板上小孔,射向另一块木板的小孔处。
在第二块木板的后面也放有一块三棱镜,使穿进小孔的光再折射后抵达墙壁。
牛顿手持第一块棱镜,缓缓绕其轴旋转,这样使不同颜色的光相继穿过小孔到达第二个棱镜。
实验结果是:
被第一块棱镜折射得最厉害的紫光,经第二块棱镜也偏折最多。
由此可见,白光确是由折射性能不同的光组成的。
为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用,也不是由于其他原因,而是由于不同颜色具有不同的折射性,牛顿又做了一个实验。
他拿三个棱镜和一个透镜做实验,三个棱镜完全相同,只是放置方式不一样。
首先,日光经第一个棱镜分色为彩色光,经过透镜汇聚,到第二个棱镜后又还原成白光,形状和原来的一样。
再经过第三个棱镜,又分解成各种颜色。
由此证明,棱镜的作用是使白光分解为不同成分,又可使不同光合成为白光。
在色散实验的基础上,牛顿总结出了几条规律,即:
1.光线随其折射率不同,色也不同。
色不是光的变态,而是光线原来的、固有的属性。
2.同一色具有同一折射率,不同的色,折射率不同。
3.色的种类和折射的程度是光线所固有的,不会因折射、反射或其他任何原因而改变。
4.必须区分两种颜色,一种是原始的、单纯的色,另一种是由原始的颜色复合而成的色。
5.本身是白色的光线是没有的,白色是由所有的光线按适当比例混合而成的色。
6.由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的形成。
7.自然物体的色是由于对某种光的反射大于其他光反射的缘故。
8.把光看成实体有充分的根据。
牛顿通过实验解决了关于光和色的问题,使得彩虹现象得到合理的解释。
有趣的是牛顿原本是为了解决望远镜的色差而研究光学理论,但是他没有在消除色差方面做更多的研究。
他直接舍弃制造透射式望远镜,而通过制造反射式望远镜来避免物镜的色散。
牛顿发明的反射式望远镜的确是解决色差现象的妙法,至今,大口径的天文望远镜都采用反射式物镜。
在“索尼探梦科技馆”有一个关于光与色的演示实验,叫做“光线小岛”,它的内容非常丰富,可以看到展台中间是一个发光的小岛,通过它发出一束束的光,另外我们还看到这里准备了各种各样的镜片,有反光镜、透镜、棱镜还有彩色的透明板。
人们可以在这台实验设备上演示光的各种有趣的性质。
四.彩虹成因
彩虹乃是大气层中凝重湿气所形成的小水珠,当其受到光线照射时水气便会產生五顏六色的反射现象,由於彩虹色彩繽纷千变万化,不仅令登山者讚赏,更为山岳自然景观中,最引人入胜的景象,尤其登山疲惫时不仅为其光彩夺目,彩绘大地的丰采惊艳万分,心神亦隨之振奋,更成为摄影同好们视觉焦点,而竞相捕捉这千载难逢的美好画面。
彩虹分类
1.霓虹
当阵雨过后阳光乍现,空气中只要尚存有零星雨滴,光线穿过水珠时,云雾间透露出耀眼的阳光,经过若干次折射与反射现象后,自然就会形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫灿烂夺目的七彩光谱,於是產生了霓虹;通常天空中比较容易见的彩虹都只有一道,惟运气好的话也会有看见两道壮丽彩虹景观的机会,当其成双成对的展现丰采时,位於上层的彩虹气象学称之为霓,下层的则为虹。
完整的霓虹通常都是自地平线向上高高伸展成半弧形,虹的七彩光谱排列顺序最上面的是红色,紫色则在最下方,而霓的色彩除了比虹略为暗淡,排列顺序亦与虹完全相反,霓虹更是各种彩虹中面积最大,看起来最壮观的一类。
2.日华与月华
高空中的云层因为温度甚低,当其结成冰晶时便具备了三稜镜的功能,造成环绕太阳或月亮周边的云层出现彩虹光环般的奇景,白天出现的称为日晕,夜间则为月晕,又叫做日华或月华。
通常日华总是伴隨著卷积云或高积云,在十分晴朗的气候中,它虽能以较长的时间在云之边缘形成美丽的七彩光环,惟却是各种彩虹景象中出现频率最低的一种,当日华出现时,这显示將有低气压接近,大雨即將来袭变天前的徵兆。
而月华出现则表示將刮大风,气候要变坏的前兆,又因为月华在曝光时与月亮之光线反差太大,的確是各种彩虹景观中最不易表现,也是拍摄难度最高的一种。
3.观音圈
观音圈之形成原因大致与霓虹相仿,惟不同之处乃后者大都是呈现在空中且所含盖之区域甚为广泛,而观音圈出现时却因太阳位置而有所不同,晨昏时分大都呈现在山头,正午时分则隱藏於谷底,山林中少有见到它高悬天空的机会,而在平地更是非常不容易看到它的;虽然其面积与彩虹相比显得袖珍且亦为圆形,有时只有一道,偶尔也会有见到双层之机会,惟色泽非常鲜艳,当它现身时应该不难发现它的存在。
非常微妙的是,当摄影者停止时,观音圈会在原地不动,但走动时它也亦步亦趋尾隨而至,更奇特之现象是,每一位登山者的身影都会投影在观音圈上,故登山者均认为见此奇观,乃是非常吉祥之预兆,而信奉佛教者亦称之为「佛光」,惟因其出现时稍纵即逝,故欲摄影同好捕捉住它的芳踪,更必须眼明手快,方能手到擒来。
4.瀑虹
由於高山上气候变化甚大,因此,色彩鲜艳的彩虹出现的机率要比平地高也变化多端,即使身在溪流或瀑布边,当喷泉般之水珠被强烈的阳光照耀,都会產生七彩的彩虹简称为瀑虹。
瀑虹其面积或大或小,依瀑布水量之多寡而定,只要登山者调整適当的角度,都能轻鬆愉快地看见彩虹出现,不妨多留心观察,確信必然会有满载而归的收获。
五、彩虹形成原因
彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴,造成色散及反射而成。
阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。
当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。
造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次。
因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度比红光大。
由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。
其实只要空气中有水滴,而阳光正在观察者的背后以低角度照射,便可能产生可以观察到的彩虹现象。
彩虹最常在下午,雨后刚转天晴时出现。
这时空气内尘埃少而充满小水滴,天空的一边因为仍有雨云而较暗。
而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光,这样彩虹便会较容易被看到。
另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近。
在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾,亦可以人工制造彩虹。
空气里水滴的大小,决定了彩虹的色彩鲜艳程度和宽窄。
空气中的水滴大,虹就鲜艳,也比较窄;反之,水滴小,虹色就淡,也比较宽。
我们面对着太阳是看不到彩虹的,只有背着太阳才能看到彩虹,所以早晨的彩虹出现在西方,黄昏的彩虹总在东方出现。
可我们看不见,只有乘飞机从高空向下看,才能见到。
虹的出现与当时天气变化相联系,一般我们从虹出现在天空中的位置可以推测当时将出现晴天或雨天。
东方出现虹时,本地是不大容易下雨的,而西方出现虹时,本地下雨的可能性却很大。
彩虹的明显程度,取决于空气中小水滴的大小,小水滴体积越大,形成的彩虹越鲜亮,小水滴体积越小,形成的彩虹就不明显。
一般冬天的气温较低,在空中不容易存在小水滴,下阵雨的机会也少,所以冬天一般不会有彩虹出现。
彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。
它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随著观察者而改变。
当观察者看到彩虹时,它的位置必定是在太阳的相反方向。
彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像。
所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。
彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部影子的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。
因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在地平线以下而不可见。
这亦是为甚么彩虹很少在中午出现的原因。
彩虹由一端至另一端,横跨84°。
以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。
倘若在飞机上,会看见彩虹是原整的圆形而不是拱形,而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。
晚虹是一种罕见的现象,在月光强烈的晚上可能出现。
由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分办颜色,故此晚虹看起来好像是全白色。
双彩虹很多时候会见到两条彩虹同时出现,在平常的彩虹外边出现同心,但较暗的副虹(又称霓)。
副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。
当阳光经过水滴时,它会被折射、反射后再折射出来。
在水滴内经过一次反射的光缐,便形成我们常见的彩虹(主虹)。
若光线在水滴内进行了两次反射,便会产生第二道彩虹(霓)。
霓的颜色排列次序跟主虹是相反的。
由于每次反射均会损失一些光能量,因此
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