虹霓現象的形成
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如果選白光時, 是否注意到紅光在藍光下方, 可是所看到的彩虹, 是紅色在外圈呀? 為什麼呢? 霓的來源. 4號光束線, 是經過兩次反射, 兩次折射後形成的. 4後 ...
虹霓現象的形成
當下午三點以後,如果在下過一場雨後,太陽仍然可見時.
背對著太陽抬頭望去,就有機會看到最美麗的彩虹,高掛在天空.
如果運氣好,還可同時見到另一層淡淡的霓.
虹霓是怎樣形成的?以下java動畫可以讓你深入的探討
彩虹的相關物理
(進一步資料請參考
虹霓現象的物理)
右邊黑色圓圈代表天空中的水珠,光束線由左邊射向水珠.
如果用滑鼠,點一下左上方『三原光』顏色方塊,則光束線將轉變為該色光.
若點選白色方塊
(將顯示包含各種色光的陽光進入水珠內產生的色散現象).
如果在入射光束附近,按住滑鼠,同時上下移動滑鼠,可以改變光束線入射的位置.
動畫中定量的描述光線強度的變化:假設入射光為非偏振光,光線兩邊灰色數字
較上方(50%|)代表電場在上下方向,強度佔入射光一半,
較下方(50+)則代表電場方向是垂直於螢幕平面.
光數線與水珠中心連線間距以b表示,R代表水珠半徑.
當光線遇到水珠,會有部分反射,部分折射進入水珠內.黃色線段代表法線,
反射時,滿足反射定律
入射角等於反射角.
折射時,
則滿足折射定律:n1sin(θ1)=n2
sin(θ2)
左下角i代表入射角,r代表折射角.
n1,n2是折射率水珠對三原光的折射率列於左上角
光線進入水珠後,又會再繼續折射以及反射.
光束線尾端1,2,3,4代表經數次反射或折射後,射出水珠以外的光束線.
各光束線兩不同方向的偏振光,相對於入射光的強度,以一組灰色數字表示.
上方數字屬於電場方向是上下垂直|的光線百分比,
下方的數字則屬於電場方向垂直於螢幕.?/ul>
比較光束強度可發現大部分光線皆在經一次折射入水珠後,馬上又經折射而射出水珠(光束線
2).
當選擇單色光束時,圖中會顯示一虹/霓光線相對強度與仰角的關係圖。
和所選擇光線一樣顏色的面積顯示電場方向垂直於螢幕的強度。
黃色的線條則顯示另一電場的相對強度。
縱座標數值
為相對於入射光的強度。
因此以紅色光為例,在仰角42度附近看到的彩虹紅色光強度略小於入射光的
0.8%
強度很弱因此不常觀測到,霓則相對強度小於0.2%因此更不易觀測到。
動畫上方^與v
兩個按紐可以用來改變縱軸單位(放大/縮小縱座標)
彩虹的來源
3號光束線,是經過一次反射,兩次折射後形成的.3後的數字,是相對於水平線的夾角.
慢慢改變光束線上下位置,將發現有一最大夾角,那就是觀看彩虹相對於太陽光束的仰角.
可是只要角度小於上述最大夾角,都會有光線經水珠,兩次折射一次反射後射出,
為何只有在最大夾角處,才看得到彩虹呢?(由強度分佈圖是否能夠解釋呢?)
如果選白光時,是否注意到紅光在藍光下方,可是所看到的彩虹,是紅色在外圈呀?
為什麼呢?
霓的來源
4號光束線,是經過兩次反射,兩次折射後形成的.4後的數字,也是相對於水平線的夾角.
慢慢改變光束線上下位置,將發現有一最小夾角,那就是觀看到霓相對於太陽光束的角度.
可是它往上射,在地面上如何看到呢?
飛機上或在高山往下望.如果你將光束線,移到水珠中心以下,它便往下方射出.
所以飛機上有可能看到整圈的霓虹!你看過嗎?
是否留意到光束線3,4大部分電場方向皆垂直於螢幕,所以彩虹及霓
,近乎為完全偏振光.
為何彩虹是圓弧形的呢?
歡迎您多提供建議,讓我們將解說改善的更好,謝謝!
請來信[email protected]
關於虹霓現象進一步資料,可參閱教育部委辦,高級中學科學課程研究計劃,
高中物理單元教學補充教材中,由北一女中張仁昌教師,
所主筆虹霓現象單元
(國立台灣師範大學科學教育中心編印)
為何只有在最大夾角處,
才看得到彩虹呢?
注意:再不同射出角度光線強度並不一樣,如果強度都一樣,
則回復白光.與背景光線一致,則什麼都看不到.
在最大夾角附近射出的光線相對強度較強.因此於背景中凸顯出來.
又由於有最大夾角,因此最大夾角附近光的強度又更增強.
於是形成我們喜愛的彩虹.
如果用滑鼠按一下,左邊彩色方塊旁的白邊方塊,
將繪出所有不同的入射情形,
可看出最大夾角附近,顏色較深,便是彩虹形成角度.
另有一稍大角度,也有顏度稍微深的情形,但是較不顯著,則是霓的所在.
試試看吧!
如何解釋
所看到的彩虹,是紅色在外圈
分別選擇不同色光比較,將發現不同顏色光線與地面夾角不同
(紅光夾角較藍光大),
而要光線皆射向我們的眼睛.則不同顏色的光線,必然不是從同一點射出,
而是從不同來源的光線(不同的雨滴),同時射入我們的眼睛.
同理可知,當彩虹出現時,每個人都只看到專屬於他自己的彩虹.
想試試看嗎?
請用滑鼠按左邊的彩色方塊,雨滴變小了,且出現兩顆水珠.
注意觀察左上方水珠射出的紅光,與右下方射出的藍光會相交.
如果我們的眼睛正好在相交處,那麼便看到紅色在外圈,藍色在內圈的彩虹.
右下方水珠不見的一定要在目前所顯示位置,在很多其他位置皆可以.
不妨請你自己移動一下右下方水珠的位置.它會跟著你的滑鼠,在區域內移動
(請同時按下滑鼠左鍵).
目前彩虹光束射向下方,霓射向上方.
若再按一次彩色方塊,則彩虹與霓上下對調(改變參數b值正負).
進一步說明,請參考光--電磁波與彩虹的形成
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作者:國立台灣師範大學物理系黃福坤
最後修訂時間:
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