[科普中国]-彩虹为什么是圆的？

彩虹，简称为“虹”，是一种光学现象。当太阳光照射到空气中的水滴时，光线被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光谱，一般为雨后常见。我们从地面上看，彩虹是一个拱形，但实际上它是一个完整的圆环，这是为什么呢？

彩虹形成的基本条件是水汽和太阳光。下过雨后，空气湿度较大，空气中的水汽可以看做是无数个小水滴。小水珠在空气中基本是个球形，它不管怎么翻过来滚过去，在空间中形状始终不变。当太阳光射入小水滴时，会发生两次折射和一次反射，即“折射—反射—折射”现象。照射到小水珠上不同部位的太阳光会产生不同的折射与反射路径。

但不同角度的光线并不任意发散，而是似乎集中在某一个角度附近，这个角度在42度左右。

虽然棱镜分解太阳光时，每种颜色只被折射到一个固定的角度。但对于水珠，某种颜色的光会沿着0到42度的任意角度出来，只不过在42度附近亮度最大。

我们可以想象一下，当我们拿着一粒水珠在太阳光中移动时，我们的视线和太阳光之间的夹角逐渐增加。当夹角接近42度时，水珠变成明亮的紫色；继续增加这个角度，水珠的颜色逐渐向红色方向变化；等超过了可见光的范围，水珠又会变成昏暗的。

所以当天空中布满了水珠时，有一部分水珠会把太阳光折射反射再折射到我们的眼中，根据水珠与太阳光以及我们眼睛的相对角度，每个水珠呈现出一种颜色。凡是相对于观察者处于相同出射角，也就是说呈现相同颜色的，都处于同一个圆上（确切说是同一个锥面上）。对观察者来说，相同折射角的水珠都处于一个圆面上，而相同折射角呈现的颜色相同，因而看到的相同颜色也是一个圆。这就是为什么说彩虹是圆的原因。

我们为什么看到的是个圆弧形呢？这是因为另一半彩虹被地面挡住了。

地球的表面是一个曲面，雨后空气中的水汽也会按照地球的曲面分布，但身处地球之外看到的彩虹，应当是完整的圆环形状。这种情形有时在飞机上可以看到。

本文由中国人民大学附属中学第二分校一级教师王和意进行科学性把关。

新华网科普事业部

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