彩虹

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引言

彩虹是光線反射和折射的結果，其中包括波傳播方向的改變。彩虹是由不同的大氣條件和陽光現象造成的。除了物理概念外，彩虹在不同的文化中被視為希望的象徵。在許多文化中，人們常常將彩虹視為靈感、好運和承諾的象徵。

彩虹在每個人的生活中都代表著一種個人意義，它代表著包容性和多樣性，以及擁抱友誼和愛情的事實。彩虹不被認為是一種物質狀態，它是透過內表面的反射而產生的。彩虹的形成原因很簡單，雨滴就像稜鏡一樣，將光譜反射成弓形。

什麼是彩虹？

彩虹被稱為眾所周知的與天氣相關的視覺效應，是自然界宏偉傑作之一。彩虹是由陽光透過降落的雨滴折射，以及光線從水滴背面反射而形成的 (Skelton et al. 2018)。

彩虹展現了顯著的光色散現象，證明了可見光線是波長光譜的寧靜組合。

圖1：彩虹

每種波長都與不同的顏色相關。眾所周知，彩虹包含七種顏色，通常用“VIBGYOR”來表示。彩虹中的 VIBGYOR 代表紫、靛、藍、綠、黃、橙和紅。彩虹的形成不是由於衍射，因為衍射在其形成中不起關鍵作用。

如何製作彩虹？

來自彩虹上部出現的紅光反射到眼睛上，使人能夠看到它。製作彩虹所需的材料包括：顆粒狀糖、吸管、六個杯子、一把用於測量的勺子和食品著色劑液體。水和陽光是材料，稜鏡和白板是工具 (Al Jabbar et al. 2020)。

在每個杯子中，加入不同數量的糖，從 1 到 5 編號。在每個杯子中，加入七種顏色，並增加糖的用量。然後需要充分攪拌，直到糖溶解。將半藍色的液體倒入一個空容器中，然後慢慢地將綠色的液體新增到藍色液體的頂部。重複類似的過程，就可以看到美麗的彩虹。

彩虹的特性

導致彩虹產生的光的特性是色散、全內反射和折射。透過繪製陽光在水滴內折射的光線圖，可以評估彩虹顏色的順序。

圖2：導致彩虹產生的光的特性

從光的特性來看，彩虹的產生是光譜分離的結果。還表明，彩虹中的紅色具有顯示光中最大的波長，約為 650 奈米 (Birriel & Birriel, 2020)。基本上，當光離開水滴時，彩虹就會展現出它的光彩。

彩虹是如何形成的？

考慮紅色區域中的單個水滴，一束白光射到其表面上，會在外邊界反射光線並折射一部分光線。正如 Lu 等人 (2021) 所述，反射的光線表現為白色，並遠離眼睛。這被忽略了，因為光線不會幫助形成彩虹。當白光穿過稜鏡時，它會被分成七種組成的顏色 (Fabro, Meng & Chronopoulos, 2021)。降雨期間的水滴的作用與稜鏡完全相同。水滴在入口處散射白光，因此散射光會落在水滴的一側。

圖3：彩虹形成

可見光的每種顏色都以不同的角度折射。人們經常觀察到，光線在相同的介質中散射。在這個階段，無法觀察到光線從水滴到空氣的穿過。當光線從較稠密的介質穿過到較稀疏的介質時，光線會遠離法線彎曲 (Fan et al. 2018)。彩虹的折射光線保持在後續介質中。水滴的情況也是如此，因為每種彩色光的入射角在相同的介質中彎曲 (Son et al. 2021)。

不同的彩色光線在下一次到達“空氣-水介面”。不會發生內反射，光線會在空氣中彎曲，但會發生一定程度的散射。這是因為折射在這些顏色之間形成了很大的差距。這就是彩虹形成的過程。

結論

當來自太陽的光線以一定角度照射到觀察者面前的雨滴上時，就會產生最顯著型別的彩虹。可以透過霧、瀑布和海浪飛濺來觀察彩虹。它通常被認為是一種視覺錯覺，在特定點不存在。彩虹的出現取決於人體的站立位置和天空。主虹的中心被稱為反日點，影像的這一點與太陽正好相反。

常見問題

Q1. 為什麼靛藍不被認為是彩虹的顏色？

靛藍顏色不再被認為是彩虹的一部分，因為它只是彩虹中顯示光譜的顏色之一。因此，這種顏色人眼是不可見的。其原因是人眼對這種顏色極其不敏感。

Q2. 為什麼彩虹看起來是彎曲的？

半圓形的結果是，大氣中懸浮著能夠在 40 到 42 度的偏轉角處集中光線色散的水滴。色散相對於來自太陽的實際光線方向而言。

Q3. 什麼展現了彩虹的現象？

彩虹被定義為一種氣象現象，它是由光的折射、反射和色散引起的。彩虹是由光線引起的，出現在天空部分，與太陽正好相反。

Q4. 全圓彩虹被稱為什麼？

光環以全圓彩虹命名，根據美國宇航局的說法，“它看起來像是一個圓形的、小的彩虹或互鎖的顏色”。光環反射在南非的飛機上。

參考文獻

期刊

Al Jabbar, Z. L., Adawiyah, R., Albirri, E. R., & Agustin, I. H. (2020, February). On rainbow antimagic coloring of some special graph. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1465, No. 1, p. 012030). IOP Publishing. Retrieved from: https://iopscience.iop.org

Birriel, J., & Birriel, I. (2020). Rearview Mirror Rainbow: An Optics Investigation. The Physics Teacher, 58(3), 164-166. Retrieved from: https://aapt.scitation.org

Fabro, A. T., Meng, H., & Chronopoulos, D. (2021). Correlated disorder in rainbow metamaterials for vibration attenuation. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 235(14), 2610-2621. Retrieved from: https://journals.sagepub.com

Fan, W., Tan, X., Tu, M., Jin, F., Wang, Z., Yu, C., ... & Du, M. (2018). Preparation of the rainbow trout bone peptides directed by nutritional properties and flavor analyses. Food Science & Nutrition, 6(4), 925-933. Retrieved from: https://onlinelibrary.wiley.com

Lu, C., Wang, C., Xiao, M., Zhang, Z. Q., & Chan, C. T. (2021). Topological rainbow concentrator based on synthetic dimension. Physical Review Letters, 126(11), 113902. Retrieved from: https://journals.aps.org

Skelton, E. A., Craster, R. V., Colombi, A., & Colquitt, D. J. (2018). 多物理場超材料楔：流體負載彈性板上的分級陣列以及彩虹俘獲和模式轉換的力學模擬。新物理學雜誌，20(5), 053017。檢索自：https://iopscience.iop.org

Son, M., Kwon, M., & Choi, H. M. (2021)。用於分析彩虹形成原理的玻璃珠彩虹實驗裝置的開發。科學教育雜誌，45(3), 326-335。檢索自：https://www.koreascience.or.kr