彩虹为何出现？光学原理全解析

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彩虹是雨后阳光经水滴折射、一次内反射和再次折射形成的外红内紫弧形光谱，因42°圆锥面投影呈弧状；副虹由两次内反射产生，色序相反、亮度更弱。

如果您观察到天空中出现一道弧形的七彩光带，通常是在雨后阳光照射空气中的水滴时发生的现象。以下是解释这一自然光学现象的原理与过程：

一、光在水滴中的折射与反射路径

彩虹的形成始于阳光从空气进入球形水滴时发生的第一次折射，此时光线因介质密度变化而弯曲；随后光线在水滴内壁发生一次全反射，改变传播方向；最后光线再次从水滴射出，经历第二次折射。整个路径包含一次内部反射和两次折射，这是主虹（常见彩虹）的标准光学路径。

1、阳光以一定角度入射到悬浮于空中的微小水滴表面。

2、光线由空气进入水滴，因水的折射率大于空气，发生向法线方向偏折。

3、折射后的光线抵达水滴背面，满足全反射条件，发生单次内反射。

4、反射光行进至水滴另一侧界面，再次折射进入空气，射向观察者眼睛。

二、色散导致白光分解为七色光谱

白光由不同波长的可见光复合而成，而水对各色光的折射率存在差异：红光波长最长、折射率最小，偏折程度最弱；紫光波长最短、折射率最大，偏折程度最强。这种波长依赖性使出射光线按颜色分离，形成连续光谱。

1、在第一次折射过程中，各色光已开始微弱分离。

2、内部反射不改变色序，但维持各色光路径独立性。

3、第二次折射进一步放大分离角度差，红光出射角约为42°，紫光约为40°。

4、人眼接收到来自不同水滴、但出射角均落在40°–42°范围内的特定颜色光，从而感知为外红内紫的彩色弧带。

三、彩虹呈弧形的几何成因

所有能将光线以约42°角反射至观察者眼中的水滴，其空间位置构成一个以观察者为顶点、太阳为轴心的圆锥面。该圆锥与天空背景相交，呈现为圆形光带；地面遮挡下半部分，故日常所见为弧形。

1、观察者需背对太阳站立，确保太阳光自后方照射水滴。

2、只有那些位于以观察者眼睛为顶点、轴线指向太阳反方向、半顶角为42°的圆锥面上的水滴，才能将主虹光线送入人眼。

3、不同高度的水滴对应弧线上不同位置：高处水滴贡献弧顶，低处水滴贡献弧脚（若无遮挡则可延展为整圆）。

四、双彩虹中副虹（霓）的形成机制

当部分光线在水滴内经历两次内部反射后再射出，便形成亮度较弱、颜色顺序相反的外层彩虹，即副虹。其出射角约为50°–53°，且因多一次反射造成能量损失，亮度明显低于主虹。

1、入射光在水滴内发生两次连续内反射，路径更长。

2、第二次反射导致色序反转：紫光偏折更大，位于副虹外缘；红光偏折更小，位于内缘。

3、由于反射次数增加，光线强度衰减显著，副虹通常仅在光照强烈、背景较暗条件下可见。

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