彩虹为什么是弧形的？

彩虹的具体形成

2025-03-30 08:20:56

推荐回答（5个）

回答1：

要想了解彩虹是如何形成的，首先要知道

太阳所发出的『光』包含有各种不同『颜色』的光线，

光线在真空或介质中是直线行进的，

在遇到不同介质的介面上时

部份光线会被反射，部份光线会被折射。

当太阳光在天空行进，遇到天空中细小的水滴时，光线会被折射进入水滴内，

由於不同『颜色』的光线弯曲的程度不同，於是水滴内不同颜色的光线便被分开了。

当光线第二次遇到水滴与空气的边界时，大部份的光线会很快又折射出去。

但少部份在水滴内经过一次反射的光线，在第三次遇到水滴与空气的边界时，

部份被折射出去的光线会形成『虹』（如上图）。

又被反射回水滴内的光线，在第四次遇到水滴与空气的边界时折射出去的光线会形成『霓』。

问题：

为什麼光线第二次遇到水滴与空气的边界时折射出去的光线并没有形成『虹』呢？
为什麼只有在特定角度才能看到『霓』与『虹』呢？
不妨玩一玩彩虹的物理 java 动画，帮助你思考以上的问题。

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太阳所发出的『光』包含有各种不同『颜色』的光线

物理上我们说太阳光包含有各种不同频率（或波长）的光（电磁波）。

不仅仅是太阳，自然界的物体都会发射出各种不同频率的电磁波。

温度越低的物体，所发出的电磁波频率较低的成分较多，

温度越高，则频率高的电磁波比例会逐渐增加。

上图是三种不同温度（灯丝最高温 3000K, 碳极放电 4000K, 及太阳表面6000K)

的物体所辐射出电磁波其强度（纵轴）随波长（横轴）的变化情形。

中间彩色的部份是『可见光』：也就是人的眼睛能够感受的电磁波讯号的范围。

左边为较短波长（较高频率）的紫外光（UV）。

右边为较长波长（较低频率）的红外光（IR）。

即使是人体本身也会辐射出电磁波，只是人体的温度更低，

所发出的电磁波主要为红外线（是人眼睛所无法直接观测的）。

但是藉由红外线探测器或夜视镜将红外线转换为可见光，

便可於黑暗中看见人体的温度分布情形。

（上图是人的手掌利用红外线观测的结果，颜色代表不同温度的分布）

据说：伊拉克在攻击科威特前，为了避免美国的飞机炸毁伊拉克的战车。

於是在沙漠中挖了很多地道，战时让战车躲入沙漠下的坑道内。

一片黄砂滚滚让美国的飞机无法找到战车的位置。

可惜沙漠中白天时温度非常高，战车又大多是金属，吸收了很多的热量。

黑夜时，沙漠的表面温度很快的就降下去了，

可是埋在沙土里的战车温度较四周的沙土高（热容量较大），

於是辐射出人眼虽看不见的红外线。

於是美国的飞机黑夜时利用红外线探测器，将每辆沙土下的战车看得一清二楚。

於是一部部的战车皆被摧毁殆尽。

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光线在真空或介质中会沿著直线前进。（注：在强大的重力场附近，光线也会被影响而弯曲）

当光行进时在两不同介质的介面上会发生什麼样的变化呢？

(参考物理动画：波行进至两介质介面时的行为 -- 反射与折射：）

光线中会有部份光线会被反射回同一介质，

反射的光线满足如图入射角等於反射角的关系（反射定律）。

部份光线则会穿透过去，穿透过的光线行进方向亦会改变，满足斯奈耳（折射）定律

n1 sinθ1 = n2 sinθ2

其中 n1 与 n2 为光在该介质内的折射率。图中 a =θ1，b =θ2

以上的反射以及折射定律，可以用另一种观点来导出

（费马原理）：参考动画最快的路径

光线总是选择行进时需时最短的路径。

在同一介质内，光速不变因而最短的路径也就是需时最短的路径。恰好满足反射定律。

在不同的介质内，光行进的速度不同，满足折射定律的路径也就是需时最短的路径。

或者说所有可能的路径中，光线最先抵达的路径。

光在介质内的折射率 n = 光在真空中的速度 / 光在介质内的速度。

由上面的定义可知：光线在真空中的折射率为 1。

通常光线在较紧密的介质内折射率较大。

下表列出对波长 5890埃的光线而言，光线的折射率

介质空气冰水酒精
C2H5OH
石英
SiO2
四氯化碳
CCl4
玻璃钻石镓的磷化物
折射率 1.00029 1.31 1.333 1.36 1.4584 1.46 1.5-1.6 2.417 3.5

若是两介质的折射率越接近，则透射光所占比例越多。

若是两介质的折射率相差越多，则反射光所占比例越多。

反射光与折射光强度的比例与入射角也有关系。（也与光的偏振方向有关）

因为光其实就是电磁波，藉由电场与磁场在介面上的边界条件，

便可分别计算出反射光/透射光与入射光强度的比值。

由折射率为 n1 的介质垂直入射折射率为 n2 的介质时，

反射光与入射光强度比为为 (n1 - n2 )2 / ( n1 + n2 )2

玻璃的折射率约为 1.5 ，空气中垂直入射玻璃表面的光线，

约有 4%的光线会被反射回来， 96%的光线则会透过玻璃。

水的折射率约为 1.33，光线由空气垂直入射水中时约仅 2% 的光线被反射回来。

当在白天於室内望著玻璃外时，（室外较亮，室内较暗时）

由於室内光线经由玻璃反射的光线，较室外的光线透过玻璃进入室内的光线弱，

因此可清楚看见室外的影像，而不易看见自己身影的反射。

当在夜晚於室内望著玻璃外时，（室外较亮，室内较暗时）

由於室内光线经由玻璃反射的光线，较室外的光线透过玻璃进入室内的光线强，

因此可清楚看见自己身体的影像（玻璃好像镜子一般）。

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不同频率的光线在介质内的折射率（或者说行进的速度）并不相同。如下图

因此光线在两介质的介面上发生折射时，不同频率的光线折射角便不相同。

於是由许多种不同频率光线所组成的阳光，发生折射时（例如射向稜镜时）

不同频率的光线会从不同角度折射出来，形成红澄黄绿蓝靛紫等彩色的条纹。

在可见光范围附近频率较高的光线在介质内的折射率也较大（行进速度较慢）。

於是对相同入射角的不同频率光线而言，

频率较高的光线折射角较小（或者说波长较长的光线，折射角较大）。

我们说光线发生『色散』了。

当光线遇到天空中的小水滴时，光线会折射进入（球形的）水滴内继续行进，

於是发生了一次光线的色散。

当光线再度遇到水滴边界时，大部份的光线会被再度折射出去，又发生了一次色散。

可是为什麼这些被折射出去的光线并未形成彩虹呢？

当我们面对太阳时，我们会看见上述被两次折射的光线，但是却看不到彩虹的形成。

反而是少部份被水滴反射的光线，又再一次遇到水滴边界时，

大部份被折射出去的光线，形成了美丽的彩虹。如图

而少部份又被反射的光线，则在下一次的边界上折射出去时会形成『霓』。

因此『霓』的光线强度会比『虹』弱很多。

因此通常刚下过雨后背对著太阳时，较容易看到『虹』(仰角 42o 附近，红色在上），

『霓』（在仰角50o 附近红色在下）则较不容易观察到。

所以通常说虹在水滴中经过了一次反射两次折射。

霓则多经过了一次的反射（两次反射两次折射）。

想一想，为什麼『虹』与『霓』都是圆弧形的呢？

如果每个人所看到的彩虹仰角皆相同，那麼因为每个人所占的位置不同，

所看到的彩虹都不是同一个？（不同的水滴所形成的）如图

光线可以在水滴不同的位置进入水滴，则经两次折射一次反射后所射出的光线

可以是在不同的角度，为何只有在特定角度才看得见『虹』与『霓』呢？

如果在每个射出的角度皆有被色散出来的光线，那麼不同颜色的光（在同一角度）

一同进入眼睛，不就又会感觉是『合成』了『白光』吗？那麼就看不见彩虹了！

在水滴内只经过两次折射的光线并未形成彩虹，是不是这样的原因呢？

另一个问题：为何雨后才容易见到彩虹呢？下雨前水滴不是更多吗？

光线（电磁波）进入介质时，部份的光线（能量）会被介质所吸收，转换成介质的热能。

若是水滴太多时，造成很多光线被吸收了就形成『乌黑』的云了！

只要有空气中有适当浓度与大小的水滴，都可以形成彩虹。

很奇怪？既然云是由水滴所组成的，而水的密度远大於空气，为何云会悬浮在空中呢？

为何水滴不会受到重力场而加速落下呢？

提示：参考亲爱的！我把孩子缩小了！尺度的物理效应（scaling)

如果你注意看上面的虹与霓，你还会发现天空有些区域比较亮，有些区域比较暗。

回答2：

彩虹是由於阳光照射空气中的小水滴,经过一系列折射以及反射后形成的景象.阳光从不同角度入射水滴,而只有某个特定角度(大约40-42)的光线的强度最强.只有这个角度的光线进入人眼后,人才能看到彩虹.
因此,如果以人眼为中心,沿平行于太阳光的方向作一条轴线,拿呢以同一角度进入人眼的光线,就会围绕这条轴线形成一个圆锥面.
傍晚的太阳光方向几乎平行于地面,这时圆锥面映入眼以後近似是一个完整的圆环.如果阳光不平行于地面,圆锥面的一部分被地势遮住,这是人们看到的彩虹就是一段圆弧了.

回答3：

楼主的问题是彩虹为什么是弧形的？
这要从彩虹形成的原理说起。
雨后天空悬浮着很多小雨滴，如果太阳光射入雨滴的角度合适，会先从空气折射入雨滴，然后再雨滴内表面反射，最后从雨滴折射入空气，由于太阳光中的各种颜色的光折射率不同，折射角也不同，于是不同颜色的光就分散开来，我们会在天空看到彩色光带，这便是彩虹，如果太阳光在雨滴内有两次折射两次反射，会形成霓，它在虹的外面，色彩淡些，颜色排列和虹相反。
---现在问题是“彩虹为什么是弧形的”，不急，听我慢慢道来：
理论和实验表明，太阳光中某一种颜色的光入射雨滴某一点时，如果角度合适，出射光线方向相对于太阳光方向偏转角度最小（叫“最小偏向角”），那么，在这一点附近的同颜色光线射出雨滴后方向几乎平行，这个方向此种光线最为集中，可以清楚看到，而在其他方向射出时，将散得很开而观察不到，例如，彩虹中红光最小偏向角是137°20',这个方向的红光射入人眼才看到彩虹中的红光。但是，由于雨滴是球形的，最小偏向角是137°20'的红光光线分布在以入射太阳光线为轴的锥形面上，射入人眼的也只是其中一条，如图（附件），根据对称性，可以看出，分布在图中圆形虚线上的雨滴，射出的红光都能被看到，于是彩虹中的红光是圆形。其他光线也一样分析，只是角度不同而已，于是，我们看到彩虹是圆的。由于地平线遮住一部分，我们看不到完整的彩虹，但是，在高山顶或飞机上可以看到完整的彩虹。

回答4：

一束平行光经过水滴以后，因为每条光线进入水滴时的入射角不同，出射光线是发散的。入射角大或入射角小都会形成较大的偏向角，只有对某一条入射光线，（某一入射角），偏向角达到最小数值，称为最小偏向角，在这个方向上的出射光，能量比较集中，出射光比较强，我们的眼睛只有在这个方向上才能看到明亮的色彩。虹就是具有最小偏向角的光线在空间的分布。
为什么我们看到的虹总是圆弧形的呢？因为太阳光是一束平行光，当光线射到雨幕上时，雨幕上每一个水滴都会改变入射阳光的方向，然而作为某一个观测者，他只能看到符合最小偏向角条件而射到眼中的光线。所以我们看到的虹总是圆弧形的。

回答5：

彩虹实际上是一个光环。是一个圆形的光环。只不过你在你所在的位置不能完全看到这个光环而已，而只能看到这个环的一部分，所以就是一个圆弧的形状了。

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