為什麼不見虹霓滿天掛?
蔡尚芳
盟立聲灣大學物理系
摘要 本文主要是介紹如何說萌在揚光隕射下,雨滴露何只會在特定的角度,才會形成人 蝦可察覺的虹與賀。本文的分析,除一般攬及的陽光反射、訢射與位教之外,自考慮讀 完彌度、皮射l:t與穿薩比等問絮,較常見之說法,更其實實穆本文程建立各主要論點縛, 除以幾何作攝方式定性論現外,立在佐以解析公式與數{腹計算結果,以便做錯輯、寓中或 大學物理課程之教學參考。 …般大學與盟、高中的物理教科響,每每在介紹幾何光學時,都會提到紅 (primaryrainbow)
與寬 (secondaryrainbow)
,並以之作為想括反射、折射與色散現象的典型棚子,高說如果陽 光通過兩噶峙,講過聽次折射與一次反射,將形成虹,前如果揚光遭遇隅次折射與商次反 射,則將影成覽。照i鑫樣的衛星長說法,虹與霓應該幾乎滿天都可看見,前不會只分別出現 在何角的 42。與 50。的天空。本文嘗試在大致與上述教科書相當的物理與數學水準下, J;).較 完擎的考量,來分析成一問題。 當自天太揚出現在天空中的高度角不大,又有局部地軍發生彈雨時,如果地插上的觀 察者,在降雨時或雨俾後,背向著太陽暫時蔚藍望去,很有可能就再以看到在天空中有一 道七彰的虹, ~路前在虹的上方,還可能讀到男…道較不明顯的影能關輯,也車定是霓 a 與天 空其 f朧的部分比較起來,虹與霓之間的確域,一般會顯得較為黯淡,諾且沒有任何彩色, 稱為是還是山大哥奮發 (Alexander'sdark band)
(註一)。輯 1 為虹、覽與暗槽的示意窩。在穎似 的情說下,彌獲於噴泉、瀑布或噴水器閑話的需缺水籬, t但可以出現虹與覽。...
費輛紅
太陽光 兩 掌聲察苦苦耐
?!ijt他
關 l 虹、費與騎帶4
攝旭光由悶滴上半球λ 射 一 23科學教育月刊 第 234 期 中參氏國八十九年十一月 基本上,紅與寶是空中的小水擒,如雨禱,暫揚光的反射、折射與色散所引起的。耍 了解虹與覽如何形成,首先需要分軒罷滴對色光的反射與折射。
(一)雨滴對單祖先的皮輯與折射一光線搭路法
2a 與 2b 顯示空中的一球形小提j繭,對關儷入車子先線的反射與折射過程。每條光線 與悶滴中心線的距離 b' 稱建其撞擊參數(impactparameter)
,屁幫關所顯示的入射蟬,分閣 中心線的閥割,但具有相同的攤擊參數 a 入射光到達 d 點後,有一部分被反射,另一部分則折射進入雨滴。先在雨滴內部行攏, 每次到達爾溝表臨時,就會辛苦一部分的光,國折射隔離開雨諦,但另一部分的究,點被反 毒幸福仍留在雨滴肉。輯 2a 中 C 點的折射線,亦即圖上課末路 (3)類的出射光績,的最初入射 到最後離聽雨滴,總共發生頭次折射、一次內反射;而轍泊中 D 點的折射線,路部圖上棟 未見 (4)離的出聲先線,在進出爾漓持總共觀生商次折射、兩次內提射。:
!麗 2a 與 2b 中之 θ 角,為光線嗨!勾角役之補角,在本文中稱之為你角,實際即觀察者的視線與太陽光 入射方向之夾角。綜合關 2 益與站,可仿照露:的表示方式,得至3 更詳細的光線軌聽蟹,如2c
04
4
富麗 戶一一一:一一一 圖 2b 光自爵灑下半球入射 圖 2c 光線的分布(二)偏向雋¢與攝擊參數 b 之闊的函數鸝係
一光線之偏向熱妙,會隨其撞擊差多數 b 間變,份與 b 之間的關數關f系,可利用光的折射與反射定律,依下述方式求縛。
如圖 3a 或 3b 所示,雨褲之半建為 R' 折射率爵 F 入射光之播實麗蓮香數為 b 0 考慮在入
24 一射點 A 發生的折射,則依光之折射定律可得
SM=nsinv=2
即入射角。與折射角 v 分別為 θ 扣= si加川n f f(n
f( 為什麼不見虹寬滿天掛?(1 a)
(1 b)
注意:如國 3a 與 3b 所示,光在球形雨滴中行進時,在界面發生內反射與折射,其入射角 與反射角恆等於最初進入雨滴之折射角'1/'而折射角則恆等於最初之入射角 θ 。 如圖 3a' 屬於第 (3)類的光線(或稱虹光線) ,在雨滴界面發生兩次折射(在 A 、 C 點),
一次內反射(在 B 點) ,其總偏向角,為 ø= α+β +y =(θ - '1/)+ (1r -
2
'1/)
+
(θ - '1/) =π+2θ -4 '1/ 旱, ' ' , , '(2a)
' , 圖 3a 虹光線之偏向角 如圖 3b 所示,屬於第 (4)類之光線(或稱霓光線) ,在雨滴界面發生兩次折射(在 A 、 D 點) ,兩次內反射(在 B ﹒ C 點) ,其總偏向角,為(2b)
、 y 圓 3b 霓光線之偏向角 圍 3c 反射光線之偏向角 25 一科學教育月刊 第 234 期 中華民國八十九年十一月 如圖 3c 所示,屬於第(1)類之光線,即雨滴直接反射的光線,在界面發生一次反射(在 A 點) ,其總偏向角,為 ø= π-2θ
(2c)
若依(1b)式,先求出對應於撞擊參數 b 之入射角。與折射角 fjI' 再代入 (2a) 、 (2b)與(2c) 式,則可求得第 (3) 、 (4)與(1)類光線之偏向角,。如雨滴折射率 n 取為1.3309 '亦即水對波 長為 700 nm 的紅色光的折射率,則得如圖 4 所示之偏向角對撞擊參數的曲線 。 此圖顯示在 比值 (b/R)接近於 l 時,第 (3)與 (4)類光線之偏向角,分別有一極小值(約 1380)與極大值(約130
0 ) ,而介於此二角度間之區域,即仰角在 42。至 50。之間時,並沒有出現任何經雨滴折 射而偏向的光線,此區域即亞歷山大暗帶。圖!中標示之仰角值爵的。與 500 ,即上述偏向 角極值之補角,分別稱為虹角 (rainbowangle)與霓角。 注意:在任何仰角,尚有其他的作用過程,如空氣散射或雨滴的反射(即第 (1)類光線) 也能將光線折向,而傳到觀察者的眼睛,因此,晴帶區不會全然無光而成為一片漆 盟。 雨滴折射率 n=
1.3309
180
偏150
向120
角90
9
(度)60
30
。
。
0.2
0
.4
0.6
0.8
←第 3 類光線 ←暗帶 ←第 4 類光線 ←第 1 類光線b/R
圖 4 偏向角,對撞擊參數 b 的變化(雨滴半徑為 R) 由圓 4 可以看出,第 (3)類光線(或稱虹光線)的偏向角範團約為 1380至 1800 ,亦即其 仰角的範圍約為 0。至 420 ,而第 (4)類光線(或稱霓光線)的偏向角約在 00至 1300 ,亦即其 仰角的範圍約為 50。至 1800 。 不過平常我們只有在特定的偏向角或仰角,亦即偏向角在極小值(虹)或極大值(霓) 附近時,才能看得到虹與霓,在上述範圍內的其餘角度,則不會看到虹或霓出現,這是為 什麼呢?以下先說明如何求出偏向角的極小值(虹)與極大值(霓) (三)偏向角的極小值(虹)與極大值(霓) fo 勻, b為什麼不見你竟滿天掛? 首先以光線描跡法做定性的說明。如圖 5 所示,輒與寬光線的偏向角妙,成對應之仰 角 θ=1 船。一份,會隨攝擊學數 b 問彈,倒如盟中的入射線 A 、 B 、 C 、 D' 其 b 髓依順序逐 漸增攏, {單第(3)類光緝的鵲;每角 ø' 員自依序還諜莖 C
3
{袁寶後,文逐漸增加,捧鸚只的轉向 角 l 蹄。為種小鐘,換言之,對地麗的觀察者諾言,真機角仗。為何角之極大{膜。 '曬中第 (4)穎光線的偏向角,以冉的偏向角 130。爵極大值,而其補角 500期為何 角之樹小備。 d5
接擊參數b 與儷向角, 紅與寬饒!每角,之極罷,啦可根據折射與反躬定縛,求臨其解析公式,持經融數值言? o 如(la)式,偏向角勢可自撞擊參數 b 對酹滴牢籠 R 的上七決定。將(l a)式對 b 籲分後 得 r>dB
…d
'l'
COS( 1 -=
nCOSIJI …一一db
. db
(3a)
當韻冉角,的{誼爵謹小(紅)職權大〈霓)時,核對 b 的微分 (dØldb) 與(2b)式得 ,故也 (2a)dB
. d
lJl 一一 -k .=..L =Odb
db
比較前關式可得k =2
(虹),
3
(凳〉(3b)
kcosB 話 ncos 'l'(3c)
輯上式平方後,再將餘弦轉換成弦,並利用(l a)式,則得kl (l -sinl 的=
n2
(l
-sin l
'1')=卅一 sin2θ(3d)
章是移現豔琨接得e -
n
2 =(k
2-1)sin
2B
(4a)
取上武之平方根,並吾吾考(l a)式,可得E
b
nsm
'l'
=R
(4b)
27
科學教育月刊 第 234 期 中華民國八十九年十一月
由 (2a)與 (4b)兩式,可知虹之最小偏向角成為
.b .
. .b..
b
14-n
2
Øm =
7z"+
2(Om -
2lJ1m)' 成 =sin-'C:), lJIm=sin-'C:),
::.!!!.=←于一 (如)R"
'nR" R
V
3
而由 (2b)與(4b)兩式,可知霓之最大偏向角 Øm 為"b_
, ._"b_
,b_
/9-n
2成
=-2(Om -3
lJ1m)'
Om 月詛咒-.':), lJIm=sin-'C:),--!.!!..=正τ一(5b)
R"
'nR" R
V 8
若令 n=1.3
309
'則由 (5a)與 (5b) 式,可得撞擊參數 bm
/R
=
0.86 時,虹具有最小偏向角Øm
=1380, 或最大仰角 420; 而當丸 /R
=
0.95 時,霓具有最大偏向角 Øm =1300, 或最小仰角 500 。 此與圖4所顯示之結果一致。(四)發光強度的角度變化
以上的分析,並未能說明為何只有在特定的仰角,即虹角 42。與霓角 500 ,觀察者才能 看見虹與霓。要回答此一問題,必須考慮在不同偏向角或仰角時,雨滴發出 (3)類與 (4)類光 線的發光強度(luminousintensity)
,亦即每單位立體角的光通量。 若陽光均句的照射各雨滴,並假設 ,1b<<b
' 則對每一雨滴而言,撞擊參數在 b 到b'
=
b+ L1b 之間的入射光能量或光通量,將正比於其面積 π(br2 -b2)~2trb,1b ' 而此部分的光 在穿出此雨滴後,其能量分布於偏向角,到 ø' 之間,故偏向角範圍 ,1 Ø=
(Ø'
-Ø) 愈小,則雨 滴在每單位偏向角內發出之光愈強。因對應於 ,1 Ø 之立體角為,1,{]= 2
7Z"sin
Ø,1 役,故在某一偏 向角,時,雨滴之發光強度 I 將與 (b,1b)/(sinØ,1 Ø) 的絕對值成正比。就第(1)類的反射光線而 言,其對應之發光強度可由(1 a)與(2c)式求得為b
,1
b
Rsin
0
,1
b
R2
sin
ø
,1
Ø
sin
20
(一2,1 0)4
(6)
上式顯示雨滴直接反射之光,其發光強度具等向性,與偏向角無關。為方便相對強度之比 較,以下均假定雨滴半徑 R 為單位長度,而雨滴反射光的發光強度為 0 .2 5 。 因圖 4 中曲線的斜率為 (,1 Ø/,1
b)
, 故在偏向角,為極小值(1 380)或極大值(1 300)處,即斜 率 (,1 Ø/ ,1b) 為零處,發光強度 I 將趨近於無窮大,而遠大於其他偏向角之 I 值,故對應於此 二偏向角之仰角,即 42。與 500 ,將出現明亮可見之圓弧或間圈,此即虹與霓必出現在特定 仰角之基本原因,其他角度之第 3 類與第 4 類光線,則並無足夠強度形成明顯之弧形亮帶。 圖 7a 顯示對應於第(1)、 (3)與(釗穎光線的發光強度 I 隨偏向角的變化。 由於入射到雨滴的太陽光,其方向實際並非完全平行,而有 0.5。的張角,故如考慮此 因素,則須將盧布中的結果,以 0.5。的角寬度求其平均值,而得圖 7b 與 7c 之發光強度曲 線。 -28 一為什麼不見紅踅鴻:Æ紛? 忌。
60
40
20
品結對發光強度 相對發光鐵皮O
135
20
O
O
30
60
90
120
150
180
;<度)140
145
150
;<按} 旺的發光強度 1 鑼偏向角,的變色 置 7b 紅與黨的發克強度 1 關偏向角役的變化 蠹 7a 。 司也 ~-"~ 屯 , 即可 ~-.. ~句句,Lfi
發藍領振 iit1.
0
竄 0.8 射t
t.
0.6
0
.40.2
40
30
20
10
相對發光強反0.0
O
135
130
125
120
O
11510 20 30 40 50 60 70
80 雪。 入射角剖腹) 光喝水進入空氣之授對立 ;<度) 闡 8 黨的發光強度 E 聽錯!句角,的變化 圖 7c 白靈 7a 至況,可以看出虹興覽的發光強度,均在不對 10的觀闡內驟降至甚小之值, 前接近兩滴直接皮射亮的發光強度(0.25) ,只有在此很小之角度內,才有可能看到虹與覽, 130。的籃齒,路 這才是虹與實只出現在輒角興覽角的聽閣。的於霓亮的偏向角分布在 00 1800的範闊,故平均說來,覽亮的發光強度較虹先為弱,加 上實先在雨滴內比旺光叉多了一次內反躬,其皮射比(註二)依關 8的數撮,大敢做於 10% (入射角約為 4紗, 虹光的儷!每角頁5分布在 13惡。1)
,國此聾比虹質難觀察對,說點將於下一館,利用夫瑞奈偉數, 做更詳細之比較。 虹、竟與晴帶形成的原因。 以上的分析,基本上室主懇請卡兒的影虹理論,大致說明 豆豆於輒與霓為什麼具有色彩,問道控告影叉為什閉雙具有特定的蜘列服序,第一鋪成功解釋 其道糟的,就是發現綾輯色散現象的牛額。就原理措寞,虹與覽f旦彰的自來與順序,和發 一 29 … 鏡發生能散的情形是說有什麼不同的。(五)夫講禁儕、數
科學教育月刊 第 234 期 中華民國八十九年十一月 在進一步討論色散的問題之前,須注意以上的理論與圖 7a 至 7c 之結果,均不考慮折 射或反射所導致的光強度或光波振幅的變化。這在比較同一類光線的強弱時,只要撞擊參 數的差異不大,或許較不致引起問題,但如果要比較並非來自同一類光線的虹與霓,事實 上並不恰當。同理,這樣的理論與分析,也無法回答虹與霓的光,是否比雨滴直接反射的 白色光更強的問題。 在任何界面的反射光與折射光,相對於入射光,其振幅可用夫瑞奈係數 (Fresnel coefficient)表示(見參考資料 3) 。若以 θ 與 θ' 分別表示光的入射角與折射角,則垂直偏振 (註三) (即 S 偏振)與平行偏振(即 p 偏振)的光,其反射的夫瑞奈係數(以 r 表示)為 sin(θθ) tan昕一 θ) r 一一一一一一一一一
r_
=-一一一一一一一一一一 sin(θ'+θ) P tan阱'+θ) 而穿透的夫瑞奈係數(以 t 表示)則為 2COSθsinθ' sin(θ'+θ) 2COSθsinθ' P sin(θ'+θ)cos(θ' 一 θ)(7a)
(7b)
根據(la)式、圖 3a 與圖泊,雨滴直接反射的光(即圖 2a 與 2b 中的第(1)類光) .其夫 瑞奈係數為sin(
\f/ -θ) • slsin(
\f/ +θ)tan(
\f/ -θ) ,一 • pltan(
\f/ +θ) 而虹光(即第 (3)類光)經兩次折射、一次內反射後的夫瑞奈係數為 2COSθsin \f/ sin(θ-\f/) 2COS \f/ sinθsin2
\f/sin
2θr
=
= - r. sJ
sin(
\f/ +θ)sin(
\f/ +θ)sin(
\f/ +θ . slsin
2 (\f/ +θ)2COSθsin \f/ tan(\f/ -θ2COS \f/ sinθ
=---'---. pJ
sin(
\f/ +θ)cos(\f/一 θ)tan(
\f/ +θ)sin(
\f/ +θ)cos(\f/ -θ)sin2θsin
2
\f/一, plsinz(V+θ)cos2(\f/ -θ)
霓光(即第 (4)類光)經兩次折射、兩次內反射後的夫瑞奈係數為
2COSθsin \f/ sin2(θ-\f/) 2COS \f/ sinθ
= . .
=
-r_.r
sin(
\f/ +θ) sin2(\f/ +θ)sin(
\f/ +θ) sr sr4=
2COSθ血\f/旦旦fl.
2 ∞s \f/ sin(}
= -r.r
sin(
\f/ +θ)cos(\f/一 θ) tan2(\f/ +θ)
sin(
\f/ +θ)cos(\f/ -θ)pl
P(8a)
(8b)
(8c)
(9a)
(9b)
圖 9a 與 9b 所示曲線,即為 (8a)至 (9b)式之各係數的平方,亦即反射比 (reflectance) ·由 上而下分別對應於反射光、虹光與霓光。由於光的強度與夫瑞奈係數的平方成正比,故利 用 (8a)至 (9b)式,可得反射光、虹光與霓光的強度比。注意這兩圖均以撞擊參數 b 對半徑 R 的的比為橫座標,因此三條曲線對應於同一橫座標的偏向角,並不相同。如將此兩圖與圖 4 之偏向角結果對照,即可看出在對應於虹角與霓角的撞擊參數值附近,亦即當 (b/R)值約為 0.8 至 l 時,平均說來,反射光比虹光與霓光強了許多,而虹光叉比霓光強了許多。 -30 一為什潑不見虹霓渴天掛?
0
.5 一一-r -.φi 啊,也可-~ ~一一:一,反
射 0 .3… L t七 。‘白,川一勾心耐心』 反射光 0.5 反 |反射光 射 。.3 上已 " - --→司用唔 0.1 --一--0.1。
0.2 0.4 0.6 0.8 blR ; - - - -,-... -....-平均;;
-0.1 ~~一」一……^"'_,_..._...J一-~~…叫一心一-o
0.2 0.4 0.6 0.8 blR 報 9a 垂直鶴握先的皮射比 直持平行儡攘光的反射比為了比較反射瓷、虹光與霓先導之三類光在同一罷!每角,的發光強度,必須利用儷冉角,
與攏擊參數 b 之闊的WSi數鵲餘,即(l b) 、 (2母至(2c)式,先將(8器)豆豆。b)式的結攘,轉換為偏 向角的誼數,再擁怯鋒正買 7a 直至 7c 的發光強度。如果您格不同光線間的干涉效應,則屁 項位正簡化第只需將關 7a 查站的發光強度,裝i丈夫瑞無係數的平芽,即圖 9a 輿怖的 反射比,並勝兩顯偏擬的錯果梧加即可,其結集如關 9c 所束。與盧布比較,聽然由於質 多了一次內反射,其發先強燒相對地變弱了,而反躬光(屬中擺在之部分)的強度,員日輯 對的總高了。不錯,即使考慮先程度射興折射峙的提攜變化,由置忱的然可以事會出,車E與 霓只有在接近虹角與寶角,才會出現。 3 虹光 4 自由- -相對發光強反 2 宇平一→一一 -SEdE…軒
…樂! 也光 \G 射 悶:反 O。
30
60 90 120 150 180;(按)
單單 9c 考禮反對比與透射比之發光強度 1 輯 10 陽光被雨滴色散(六H色彩之晶現與其排列 Jllri草
輒、霓,布以會跟現出太揚光譜的各種色路,並且做一定的額序排列,主要是由於雨滴 的色歡作用,換言之,禪滴對不同渡長的色究,具有不闊的新射率,波吳建立長(紅光)瞥,其 折射率愈小(參見表1)。閻此,揚光中各種波長不闊的色光,在酹讓再有不間的行進路線, 導跟其宿藹清自射役之備與角有控差異,如讀 10 用刑。 就形成虹的先線諾言,紅光的偏與角聽小,而黨光的福向角最大,故通輯上觀察者看 司 3科學教育晃刊 第 234 潮 中攀氏闊八十九年十…月 甜的紅光,來自館角較大(約 42.3 80) 之間滴,高紫光期來自伸角較小(約 40.510 ) 之罷藹, 即虹之色彰,由上而下分對為紅、梅、黃‘韓、藍、棍、黨(參見表1)也說形成覽的光線 '紅光的儡舟角較大,仰角較小(約 50.340 ) , 高黨光的偏向角則較小,仰角較大(約
53.73
0 ) , 故菜色彩服序與虹摺炭。若根攝水之對射車,利用 (5持與 (5b)式計算,難得表 l 之結果。注意:地區上觀當毒者之視線與入射光之夾角,亦即停角 θ' 等於儷!為角妙的補角。 表 1 中針對不摺波畏的阿見光,除列出其仰角之攝儷蚱,也列出一些渡長的光在哥哥請 內發生內反射婷的入射角與Ei.射角'f/ (參看曬 h 與 3b) 。的此表可看出租可見先渡裘範觀 內(的 400-770nm)
,入射角 v 拘小於雨濤之臨界角 (criticalangle)
(約螞 4妒,亮麗的 故知先在雨滴肉之內皮射,均非全反射(設四)。但聞事r 相當接訂附牆之有錯土特角 (Brewsterangle)
(約為 370) , 故虹與數光線均為偏掘光。 表 l 紅為與寬角 波長 訢射率 內皮星空角(虹) 虹角 λ nmn
180
0…
1000
1
.3
277
40.57
42.85
900
1
.3
285
42.73
800
1
.3
294
42.60
700
1.3
309
42
.3
8
650
1.3
318
42.25
600
1.3335
40.19
42.01
550
1.
3344
4
1.
64
500
1
.3
364
4
1.
27
450
1.
3411
40.91
400
1.
3440
40.51
350
1.
3501
39.66
300
1.
3532
3 息 .9338.72
i持反射角(霓) 實角F
f_180
0…。"
45.76
49
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49.92
50.34
50.58
45
.4
4
5
1.
02
n語叫 JAy-MJOAU 正 vtJQJ 守,司 fhco...
, i 句 4qh 句 34drhv qJξJξJ 『 dqvζJ AY 冉、 JW AUY A 且可 由表 l 呵護寄自影虹由紫 (400nm)劉紅(700nm)的角度分布約聽 (42.3 事。-40.510) 品 1.870 ,前 覽由紅到紫的角度分布約攏。3.730-50.340) 如 3 .3 90。如果時加上太揚光的方向有0.50的強角, 則影紅與覽的角寬賤,分射在2 .40與
3.90左右,這與實際的觀察是相當接近的。 陽光照駐華自爵瀉,除了會導蓋全較易察覺的虹、霓及亞歷山大曙帶外,其實還有平常較 少看到的伴聽你叩emumeraryarc)
,它的解釋需要考蠟光波通過譯音濟時的干涉作窮,己非幾 {奇先要發適用的純關了。參考資料:
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3.
詮釋 註一 :希臘哲學家亞歷111 大 (Alexander