从“彩虹的气象物理原理”想到的

邱月忠

摘 要： 有关光的折射、反射、色散的实验，学生在课堂上都做过或看过了，都觉得很平常，但是很少能将它与自然现象中的彩虹、气象方面的知识联系起来。

关键词： 彩虹 物理原理 生活 实验

在大自然中，有很多自然现象与物理相关，与其他学科相关。物理学科教学如何联系自然现象，联系生活实际问题，挖掘物理与其他学科的内在联系，使学生对事物整体及其发展变化过程有一定的认识，了解各学科知识交叉、渗透、融合，拓宽学生思维，对培养学生综合素质是非常重要的。因此，让学生学习了光的直线传播，光的折射、全反射、色散后，再认识彩虹，加深对大气中的光现象认识，知道物理与气象的联系也是很有意义的。

彩虹是人们时常看到的一种自然界的光现象。每当五彩缤纷的彩虹当空高挂时，人们都会情不自禁地争相观赏这种大自然美景。古时有人说，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞挥起的彩绸；也有人说，那是仙女为窥视人间在云中搭起的彩桥。不管是彩绸，还是彩桥，都只不过是神奇的传说罢了。而现实中的彩虹是什么？它是如何形成的呢？一说到彩虹的形成，人们常把它跟“雨后”联系在一起。很多人认为只有“雨后”才能出现彩虹。其实，这种看法是不全面的。“雨后”天空有时会出现彩虹，这固然是事实，但是在阳光下，喷泉或瀑布的周围也会出现彩虹；夏天，街上奔跑的洒水车的后面，有时也会出现一段彩虹；用喷雾器在空中喷雾也可形成彩虹。显然，那种说彩虹仅在“雨后”出现，是对彩虹的成因不十分了解造成的。只要知道空气中有形成彩虹的条件，自然知道不一定要下雨才有可能出现彩虹。

在中学物理课上，有个“光的色散”实验：取一个棱镜，让一束白光穿过狭缝射到棱镜的一侧面，通过棱镜后，前进方向改变，在白色光屏上形成彩色光带，顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。这与彩虹的颜色很相似。但是空气中是不可能有棱镜片存在又能形成彩虹。这是何故？因为空气中飘浮有大量的小水滴。当太阳光照射到这些小水滴时，一个个小水滴就像棱镜似的把白光分解成七种单色光，对阳光起分光色散作用。阳光如何在小水滴中产生分光色散现象？阳光射入小水滴，即从空气这种媒质进入水这种媒质，发生一次折射，由于构成白光的各种单色光的折射率不同，紫光波长最短，其折射率最大，红光波长较长，其折射率最小，其余各色光则介乎其间。因此，光线在小水滴内产生分光现象，各色光同时在小水滴继续传播，遇到水滴的另一界面时被反射回来，重新经过小水滴内部，出来时再一次发生折射回到空气中。这样，阳光在小水滴中进行了两次折射和一次全反射就被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光。当空气中的小水滴数量很多时，阳光通过这些小水滴，经过反射和折射作用，射出来的光集中在一起，天空中美丽的彩虹就形成了。

平时，我们看到的多数是一条彩虹，视角（从地面至虹项的角度）约42度。有时在彩虹的外边还能看到一条颜色顺序与这条彩虹恰好相反，且较暗一些的另一条虹，这条叫副虹主虹是内紫外红，副虹是内红外紫，副虹又叫霓。霓与主虹为同心的圆弧，两者之间天空比较暗，虹内、虹外天空比较明亮。霓的视角大约51°。它的成因与主虹基本相同。它是阳光在小雨滴中经过两次反射、两次折射而形成的，即折射—全反射—全反射—折射而形成的。在地平面上，我们看到的主虹与霓是半圆形的，那是因为它们下半部分被地面遮住了。若是站在高山顶上，就能看到主虹与霓的大部分。只有在晴朗的天气时，在飞机舱中向下看，才能看到主虹与霓的全貌，即完整圆环。如果太阳的角度太大，或太小，我们也不易看到虹，又因虹是阳光经小水滴反射进入我们眼睛的，所以彩虹永远出现在太阳的对面。

主虹为何内紫外红？我们看虹时，有色的光线依着各种角度从小水滴中反射出来，对于某一质点来讲只能把某一种颜色的光线射入我们的眼帘，而从同一雨滴中折射出来的其他有色光或高或低地越过我们的眼帘，不被我们看到。具体而言，在那些能进入我们眼帘的，并经处于最高位置的小水滴，折射的光线中，由于红光折射率最小，偏向角最小，因此才能进入我们的眼帘，我们看到的只是红光，其他色光由于折射率大，偏向角也大，都越过我们的头顶而去。稍低一点的小水滴，也就只能在折射光线中偏向角比红光大，又比其余色光小的橙色光先进入我们的眼帘，而被我们看到。其余色光中，红光偏低，黄、绿、蓝、靛、紫都偏高，越过我们的眼帘不被我们看到。以此类推，那些进入我们眼帘，并经处于最低一层位置的小水滴折射后的光线，我们只能看到的是紫光，其余色光都从我们眼皮底下溜走。这样，空中邻接的小水滴中折射出来的光线形成一条内紫外红的彩虹。彩虹的气象原理：空气里小水滴的大小，决定了彩虹的色彩与宽度。雨滴越大，彩虹带越窄，色彩越鲜明；雨滴越小，彩虹带越宽，色彩越黯淡。当雨滴小到一定程度时，分光和反射不明显，彩虹就消失。说明彩虹的形成直接与空气中雨滴的存在、多寡、大小有着直接关系，反过来说，彩虹跟天气变化有关。例如：彩虹的色彩从鲜艳变为暗淡，宽度从狭窄变为宽大，说明空气中雨滴由大逐渐变小，由此，我们可以推测空气可能逐渐转向稳定，天气情况渐趋稳定。

几千年来，我国劳动人民在长期生活和生产实践中，积累并流传了许多与彩虹相关的看天经验，并用简洁语言编成谚语。这些谚语反映了天气变化的客观规律，已成为人们推测未来天气变化的依据之一。例如：“东虹日头，西虹雨”（或早虹雨，晚虹晴）根据彩虹的出现，推测未来天气变化情况。虹在西方，说明西边大气中有大量雨滴存在，随着天气系统东移，本地将会有雨，西虹多出现在早晨；虹在东方，说明东边大气中有雨滴存在，天气系统已经移过本地，天气即将转晴，东虹多出现在傍晚。又如“晚虹日头早虹雨；虹高日头低，早晚披蓑衣；虹高日头低，大水没过溪；断虹见，风随见；断虹早见，风雨即见；虹吃云下一指，云吃虹下一丈”，等等，都是跟彩虹相关的天气谚语。

总之，物理教学除了注重本学科的知识能力综合外，还要注意与其他学科的知识交叉、融合，做到知识来源于生活、实验，又回归于生活、实验，回归于自然，让学生活学活用，最终为生产劳动服务。“彩虹的气象物理原理”仅是物理教学中的一个参考例子，旨在抛砖引玉，探讨物理教学如何挖掘物理学科与其他学科的内在联系，适应综合问题新走向，培养学生的综合素质。