3.光的全反射.doc

虹和霓形成的原因虹和霓都要背对太阳而立才能观察到。在夏日的傍晚，西方放晴而东方天空有云 雨时，最易看到虹和霓。当太阳光平行地照射到水滴上时，经历折射反射后的出射光中，多数比较暗淡，只有偏离阳光原入射方向的角度为最小(即最小偏向角)的出射光束，显得特别明亮。若在与太阳相对的另一半天空中的水滴，被阳光照射，在雨滴中经两次折射、一次内反射而以最小偏向角出射的光，恰好投射到背太阳而立的观测者眼帘，看到的弧形光环便是虹。阳光七种色光的最小偏向角稍不同，平均约为138度。若阳光在雨滴中经两次折射，两次内反射而以最小偏向角出射的光，恰好投射到背阳而立的人眼中，看到的弧形环便是霓，阳光七种色光的最小偏向角亦稍异，平均约232度。虹的彩环排序为内紫外红原因为：阳光中的红光最小偏向角最小为137度42分，紫光的最大为139度24分，若阳光投射到较高位置的雨滴，并以最小偏向角出射的红光，恰进观测者眼帘，那么只可能是阳光投射到较低位置的雨滴上并以最小方向角出射的紫光，才能同时进入观测者的眼帘。如图所示，红色在外，紫色在内。图还表明了虹的彩环视角平均约42度。同样道理, 可知霓的彩环为内红外紫的排序。以及霓的视张角平均约52度。虹的色彩和宽度与雨滴大小有关。雨滴愈大，虹带愈狭窄，色彩愈鲜明；反之，雨滴愈小，虹带愈宽，色彩愈暗淡。雨滴过小，则不可能出现虹。另外，当太阳高度角大的时候，例如在中午，就不会看到虹。又因为虹是“日照雨”时形成，它总是出现在太阳的对面，所以朝虹见于西方，暮虹见于东方。有时在虹的外侧还能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫内红，这就是副虹或霓。霓和虹的不同点，仅仅在于光线在雨点内产生二次内反射。因此光线通过雨滴后射到我们眼帘时，光弧色带就与虹正好相反。有时，还会产生第三道、第四道虹。甚至还会由于光线的衍射作用，在虹的内侧产生几条附属弓，这也是一种特殊的虹。天空中有一层高云，阳光或月光透过云中的冰晶时发生折射和反射，便会在太阳或月亮周围产生彩色光环，光环彩色的排序是内红外紫。称这七色彩环为日晕或月晕，统称为晕。其中对观测者所张的角半径为22度的晕最为常见，称22度晕，偶尔也可看到角半径为46度的晕和其他形式的与晕相近的光弧。由于有卷层云存在才出现晕，而卷层云常处在离锋面雨区数百公里的地方，随着锋面的推进，雨区不久可能移来，因此晕就往往成为阴雨天气的先兆。天空中有一层透光薄云，云中的水滴大小均匀，若是由冰晶组成的云则要求冰晶尺寸均匀。月光或阳光透射云层过程中，受到均匀云滴(水滴或冰晶)的衍射，结果会在月亮或太阳周围紧贴月盘或日盘形成内紫外红的彩环，称为华。因日光太亮，人们不易观察到日华，月华则比较常见。紧贴月盘的华又称华盖，通常华盖的紫色不太显著故内环呈青蓝色，其外呈黄色为主，最外呈红色。有时在华盖外隔一暗圈后还会出现一个甚至几个彩色排序与华盖相同，但亮度弱得多的同心光环，称为副华。 峨 嵋 宝 光四川省峨嵋山，海拔3000米以上，山中森林茂密，流水淙淙， 水汽来源充沛，空气潮湿，常有云雾萦绕在群山中。国内、外有许多类似峨嵋山的常有云雾萦绕的山峰高岭。当清晨或傍晚，太阳位于地平线附近时，人若站在云雾萦绕的高山之巅，恰值山巅之上是晴空，山巅之下是云雾，你背对晴天的太阳，下看弥漫的云海迷雾，便可能突然看到云雾幕上出现人影，围绕在人影的四周是一圈圈彩色光环，有红色的也可有蓝色或别的颜色的弧环，这就是峨眉宝光。它是由于阳光照射观测者所形成的人影一直投射到云雾幕上，观测者便可看到自己的影子。阳光又照射到影子附近的云雾滴上，云雾滴对阳光产生散射、衍射等较复杂过程，便形成以太阳与观测者的连线的延长线为中心的一圈圈彩色光环。据记载，在峨嵋山上看到这种大气光象的机会甚多，每年约有七、八十次。佛 光佛光这个词取自德文，原意为圣像周围的光环。佛光指粗糙表面上人的头影周围的亮光或当人的影子映落在覆盖有露珠的草地表面时他的头影周围的亮光。在这种情况下，你的头影四周没有彩色，只有一个白色晕圈。虽然产生佛光有两类自然作用过程，但景象看上去是一样的。一类过程必须有露水珠(产生的景象可称作露水佛光)；另一类只要求一个粗糙表面(称作干燥佛光)。1）露水佛光来自远处光源的射线能够进入眼睛，并且在视网膜上聚焦，如图A所示。倘若映到视网膜上的亮点，又成为第二光源而起作用，那么，从该亮点散射并折回的光线，就从眼睛前部通过，按照它进入的方向射出，对着远处的光源返回去。眼睛的作用不象镜子，一面镜子可以朝不同方向反射光线，这依镜面位置如何安放而定。说得更确切些，眼睛平常的性质，就是把光线往光源的地方回送，而不管眼睛的取向怎样。当然，回送并不是绝对的，返回的光线可以展宽一点点，但决不是很多。假如你在十米远的地方，用手电筒照射一只狗(或一只猫)的眼睛，只要你正好贴着头部握住电筒，就会看到狗(或猫)的眼睛发亮了；但若你把电筒从你头部往旁边稍稍挪动，哪怕只挪动半米左右，狗(猫)眼睛里的亮光就消逝了。人的眼睛在显现这一效应时，不象动物的眼睛那么强烈。可是效应总归是有的。在另一些地方也可以看到这样效应，象路标或者牌照，它们的表面有小串玻璃珠罩盖，各个玻璃珠子都能起到小眼球的作用，有选择地把光线送回到照亮它的卡车前灯的方向(如图B所示)。就露水佛光来说，象眼球或玻璃珠那样的作用，是通过草叶支撑着的露水珠产生的，露珠大致呈圆球状。露水的确没有象玻璃那样使得光线大大弯曲(玻璃的折射率较大)；所以，水就把光线带到露水珠后面不远的某个对焦点，如图C所示。为了最有效地逆射阳光，应当让叶面位于水珠背面的后边，水珠背面向着对焦点。有几种草的叶面带有细微茸毛，确实支撑着水珠使它稍稍离开叶面，并把光强高得惊人的光线，往回送向明亮的光源。要想了解这样的光线，可朝着你的对日点观看，你的头影就标志着对日点，于是在头影附近有发自草叶的强烈亮光，但是在你朝着离开头影更远的地方注视时，可看到光强减弱了。正象宝光的情况那样，每个人只可能看到他本人身影周围的佛光晕圈。2）干燥佛光有的时候，当你的头影映落在干草、稀疏树林、甚至翻犁过的田地上，也可以看到佛光景象，设想一下松散铺垫在广阔空地上的一批树叶，当阳光映照在这样的集合物上面时，接收到阳光的每一叶片，就把影子投放到它背后的另一些叶片上。若是你正好顺着入射阳光的路线观看，那你确实见不到什么影子，因为从那个方向，每一影子正好在它的叶子背后，当你从那个方向察看时，所能见到的每片叶面都是照亮了的。可是你只要稍微挪开视线朝一旁观察，就可以看到叶片投映出的一些影子了。“正好顺着入射阳光方向观看”，这句话的另一个说法就是：“朝着你的对日点方向观看”。结果固然是如同上面说的一样，对于你的头影周围的草皮或树叶来说，背景的光强要比更远处的大些。一旦你同模糊不清的背景协调一致(例如，你走动或者骑上自行车奔跑)，你就会频繁地看见你的“圣光”。你还可以在自己乘坐的飞机影子周围看到这一景象，或者，要是你位于离地面以上很高的地方，以便在地上投映出身影(原因在于太阳的角直径)，那么你就会看到地面上