從“彩虹的氣象物理原理”想到的

邱月忠

摘 要： 有關(guān)光的折射、反射、色散的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在課堂上都做過或看過了，都覺得很平常，但是很少能將它與自然現(xiàn)象中的彩虹、氣象方面的知識聯(lián)系起來。

關(guān)鍵詞： 彩虹 物理原理 生活 實(shí)驗(yàn)

在大自然中，有很多自然現(xiàn)象與物理相關(guān)，與其他學(xué)科相關(guān)。物理學(xué)科教學(xué)如何聯(lián)系自然現(xiàn)象，聯(lián)系生活實(shí)際問題，挖掘物理與其他學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系，使學(xué)生對事物整體及其發(fā)展變化過程有一定的認(rèn)識，了解各學(xué)科知識交叉、滲透、融合，拓寬學(xué)生思維，對培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)是非常重要的。因此，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了光的直線傳播，光的折射、全反射、色散后，再認(rèn)識彩虹，加深對大氣中的光現(xiàn)象認(rèn)識，知道物理與氣象的聯(lián)系也是很有意義的。

彩虹是人們時(shí)常看到的一種自然界的光現(xiàn)象。每當(dāng)五彩繽紛的彩虹當(dāng)空高掛時(shí)，人們都會(huì)情不自禁地爭相觀賞這種大自然美景。古時(shí)有人說，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞揮起的彩綢；也有人說，那是仙女為窺視人間在云中搭起的彩橋。不管是彩綢，還是彩橋，都只不過是神奇的傳說罷了。而現(xiàn)實(shí)中的彩虹是什么？它是如何形成的呢？一說到彩虹的形成，人們常把它跟“雨后”聯(lián)系在一起。很多人認(rèn)為只有“雨后”才能出現(xiàn)彩虹。其實(shí)，這種看法是不全面的。“雨后”天空有時(shí)會(huì)出現(xiàn)彩虹，這固然是事實(shí)，但是在陽光下，噴泉或瀑布的周圍也會(huì)出現(xiàn)彩虹；夏天，街上奔跑的灑水車的后面，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一段彩虹；用噴霧器在空中噴霧也可形成彩虹。顯然，那種說彩虹僅在“雨后”出現(xiàn)，是對彩虹的成因不十分了解造成的。只要知道空氣中有形成彩虹的條件，自然知道不一定要下雨才有可能出現(xiàn)彩虹。

在中學(xué)物理課上，有個(gè)“光的色散”實(shí)驗(yàn)：取一個(gè)棱鏡，讓一束白光穿過狹縫射到棱鏡的一側(cè)面，通過棱鏡后，前進(jìn)方向改變，在白色光屏上形成彩色光帶，順序是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。這與彩虹的顏色很相似。但是空氣中是不可能有棱鏡片存在又能形成彩虹。這是何故？因?yàn)榭諝庵酗h浮有大量的小水滴。當(dāng)太陽光照射到這些小水滴時(shí)，一個(gè)個(gè)小水滴就像棱鏡似的把白光分解成七種單色光，對陽光起分光色散作用。陽光如何在小水滴中產(chǎn)生分光色散現(xiàn)象？陽光射入小水滴，即從空氣這種媒質(zhì)進(jìn)入水這種媒質(zhì)，發(fā)生一次折射，由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長最短，其折射率最大，紅光波長較長，其折射率最小，其余各色光則介乎其間。因此，光線在小水滴內(nèi)產(chǎn)生分光現(xiàn)象，各色光同時(shí)在小水滴繼續(xù)傳播，遇到水滴的另一界面時(shí)被反射回來，重新經(jīng)過小水滴內(nèi)部，出來時(shí)再一次發(fā)生折射回到空氣中。這樣，陽光在小水滴中進(jìn)行了兩次折射和一次全反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光。當(dāng)空氣中的小水滴數(shù)量很多時(shí)，陽光通過這些小水滴，經(jīng)過反射和折射作用，射出來的光集中在一起，天空中美麗的彩虹就形成了。

平時(shí)，我們看到的多數(shù)是一條彩虹，視角（從地面至虹項(xiàng)的角度）約42度。有時(shí)在彩虹的外邊還能看到一條顏色順序與這條彩虹恰好相反，且較暗一些的另一條虹，這條叫副虹主虹是內(nèi)紫外紅，副虹是內(nèi)紅外紫，副虹又叫霓。霓與主虹為同心的圓弧，兩者之間天空比較暗，虹內(nèi)、虹外天空比較明亮。霓的視角大約51°。它的成因與主虹基本相同。它是陽光在小雨滴中經(jīng)過兩次反射、兩次折射而形成的，即折射—全反射—全反射—折射而形成的。在地平面上，我們看到的主虹與霓是半圓形的，那是因?yàn)樗鼈兿掳氩糠直坏孛嬲谧×恕Ｈ羰钦驹诟呱巾斏希湍芸吹街骱缗c霓的大部分。只有在晴朗的天氣時(shí)，在飛機(jī)艙中向下看，才能看到主虹與霓的全貌，即完整圓環(huán)。如果太陽的角度太大，或太小，我們也不易看到虹，又因虹是陽光經(jīng)小水滴反射進(jìn)入我們眼睛的，所以彩虹永遠(yuǎn)出現(xiàn)在太陽的對面。

主虹為何內(nèi)紫外紅？我們看虹時(shí)，有色的光線依著各種角度從小水滴中反射出來，對于某一質(zhì)點(diǎn)來講只能把某一種顏色的光線射入我們的眼簾，而從同一雨滴中折射出來的其他有色光或高或低地越過我們的眼簾，不被我們看到。具體而言，在那些能進(jìn)入我們眼簾的，并經(jīng)處于最高位置的小水滴，折射的光線中，由于紅光折射率最小，偏向角最小，因此才能進(jìn)入我們的眼簾，我們看到的只是紅光，其他色光由于折射率大，偏向角也大，都越過我們的頭頂而去。稍低一點(diǎn)的小水滴，也就只能在折射光線中偏向角比紅光大，又比其余色光小的橙色光先進(jìn)入我們的眼簾，而被我們看到。其余色光中，紅光偏低，黃、綠、藍(lán)、靛、紫都偏高，越過我們的眼簾不被我們看到。以此類推，那些進(jìn)入我們眼簾，并經(jīng)處于最低一層位置的小水滴折射后的光線，我們只能看到的是紫光，其余色光都從我們眼皮底下溜走。這樣，空中鄰接的小水滴中折射出來的光線形成一條內(nèi)紫外紅的彩虹。彩虹的氣象原理：空氣里小水滴的大小，決定了彩虹的色彩與寬度。雨滴越大，彩虹帶越窄，色彩越鮮明；雨滴越小，彩虹帶越寬，色彩越黯淡。當(dāng)雨滴小到一定程度時(shí)，分光和反射不明顯，彩虹就消失。說明彩虹的形成直接與空氣中雨滴的存在、多寡、大小有著直接關(guān)系，反過來說，彩虹跟天氣變化有關(guān)。例如：彩虹的色彩從鮮艷變?yōu)榘档瑢挾葟莫M窄變?yōu)閷挻螅f明空氣中雨滴由大逐漸變小，由此，我們可以推測空氣可能逐漸轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，天氣情況漸趨穩(wěn)定。

幾千年來，我國勞動(dòng)人民在長期生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，積累并流傳了許多與彩虹相關(guān)的看天經(jīng)驗(yàn)，并用簡潔語言編成諺語。這些諺語反映了天氣變化的客觀規(guī)律，已成為人們推測未來天氣變化的依據(jù)之一。例如：“東虹日頭，西虹雨”（或早虹雨，晚虹晴）根據(jù)彩虹的出現(xiàn)，推測未來天氣變化情況。虹在西方，說明西邊大氣中有大量雨滴存在，隨著天氣系統(tǒng)東移，本地將會(huì)有雨，西虹多出現(xiàn)在早晨；虹在東方，說明東邊大氣中有雨滴存在，天氣系統(tǒng)已經(jīng)移過本地，天氣即將轉(zhuǎn)晴，東虹多出現(xiàn)在傍晚。又如“晚虹日頭早虹雨；虹高日頭低，早晚披蓑衣；虹高日頭低，大水沒過溪；斷虹見，風(fēng)隨見；斷虹早見，風(fēng)雨即見；虹吃云下一指，云吃虹下一丈”，等等，都是跟彩虹相關(guān)的天氣諺語。

總之，物理教學(xué)除了注重本學(xué)科的知識能力綜合外，還要注意與其他學(xué)科的知識交叉、融合，做到知識來源于生活、實(shí)驗(yàn)，又回歸于生活、實(shí)驗(yàn)，回歸于自然，讓學(xué)生活學(xué)活用，最終為生產(chǎn)勞動(dòng)服務(wù)。“彩虹的氣象物理原理”僅是物理教學(xué)中的一個(gè)參考例子，旨在拋磚引玉，探討物理教學(xué)如何挖掘物理學(xué)科與其他學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系，適應(yīng)綜合問題新走向，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。