问题

如何回答孩子问我「为什么彩虹有七种颜色」?

回答
宝贝,你想知道为什么彩虹会有七种颜色是吗?这可是一个非常有趣的科学奥秘呢!你想想看,当太阳光照射到雨滴上时,会发生什么奇妙的事情呢?

首先,我们要知道,我们看到的白色的阳光,其实是由很多种颜色混合在一起的。就好比你把红、黄、蓝各种颜色的颜料混合起来,最后看起来就是一种颜色,对不对?太阳光也是一样,它里面藏着好多好多不同的颜色。

那彩虹是怎么出现的呢?这就要感谢我们小小的雨滴了!当太阳光线进入雨滴时,它会发生一次弯曲,就像你平时用放大镜聚光一样,光线会拐个弯。这个弯曲叫做“折射”。

但是,你知道吗?不同的颜色,它们在穿过雨滴的时候,弯曲的角度是不完全一样的!红色的光线弯曲得最少,紫色的光线弯曲得最多。它们就像一群小火车,在雨滴这个“隧道”里,因为颜色不同,所以走的路线上会稍微有点差别。

折射之后,光线在雨滴的另一面,还会碰到雨滴的内壁。这个时候,它们会像照镜子一样被反射回来,又一次发生折射,然后从雨滴里出来,向我们飞来。

所以,当阳光穿过无数颗雨滴时,每颗雨滴都像一个小小的小小“棱镜”,把混合在一起的白光,分成了七种不同的颜色。因为不同的颜色光线折射的角度不一样,它们就会被“分离开”,就像我们排队的时候,不同身高的人站在不同的位置一样。

这些颜色呢,我们通常说有七种,它们按照固定的顺序排列着,从上到下依次是:红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛色、紫色。你会发现,红色在最上面,紫色在最下面,对不对?这是因为红色光线弯曲得最少,它会“跑”到上面去;而紫色光线弯曲得最多,它就“跑”到下面来了。

那为什么是七种呢?其实呢,颜色之间的界限是很模糊的,有时候你会觉得绿色和蓝色之间还有一种颜色,对不对?科学家们为了方便我们理解和记忆,就把彩虹的颜色分成了七种主要的颜色。就像你画画的时候,会有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这几种颜色一样。

所以,宝贝,彩虹就是太阳光在雨滴里“玩捉迷藏”,把自己藏着的七种颜色都显露出来给我们看的好玩现象!下次下雨后,如果你看到太阳出来了,不妨抬起头看看天空,说不定就能看到这美丽的七色彩虹啦!是不是很神奇?

网友意见

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单身狗不擅长跟小孩子打交道,只能尽力解释的详细一些,通俗一些,希望至少家长能看懂。

关于彩虹的原理,其实我们已经科普过几次了。这里还是再简单解释一下,如果想深入了解,可以点击文末的参考资料,都是我们自己写的,欢迎各位看官老爷捧场,我喂自己袋盐,哦,耶。

我们常常可以在雨后的天空看见彩虹,这是因为彩虹是光在空气中的小水滴折射和反射后形成的。当我们背对太阳望向天空时,阳光照到我们面对的小水滴,发生两次折射和一次反射后从小水滴出射,在折射中,由于不同波长的光折射率不同,白色的太阳光被按波长展开,把她最美丽的一面展现给了我们,我们看到之后就是彩虹了。看文字可能没有图清楚,如下:

这个过程非常简单,我们可以利用斯涅耳定律求解彩虹发生的条件,结果可以看到彩虹一定是一个漂亮的圆(详细推导可以见参考资料2),当然我们大部分时间只能看到这个圆的上半部分,也就是半圆,当然,如果满足特定条件,可以看到完整的彩虹(详情见参考资料3)。有的时候,我们还可以看到两道颜色相反的彩虹,内层的是主虹,也叫虹,外层的是副虹,也叫霓。霓的形成原因也很简单,如图1左上角所示,霓的光线在小水滴中发生了两次折射和两次反射(相比虹多一次反射),导致太阳各色光的成分反转,因此霓的颜色顺序与虹正相反,且在反射中,光强变弱,霓要比虹更加暗淡。根据计算,我们可以在背对阳光的天空中看见霓和虹,与阳光的夹角分别为51°和42°。当然更高阶的彩虹也有,只是在小水滴中发生两次以上反射而已,只不过这种高阶彩虹非常暗淡,难以观察(见参考资料4)。

因此我们可以看到,彩虹的颜色其实就是太阳光的颜色,我们说彩虹有其中颜色,其实是因为我们说太阳有七种颜色。

平常的太阳光,各色光混合在一起,看起来是白色的,但其实洁白的外表之下,有一颗色彩丰富的内心。我们能看到的光被称为可见光,波长约在400-760nm,太阳光就包含了所有的可见光。在一定条件下,我们可以讲光按波长罗列出来,比如折射。如果我们按照波长把可见光排好,她实际是这样的,这就是光谱图。

我想你现在一定可以数出她有赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色了吧,可是你能准确地给出每一种颜色的分界线吗?你能明确地将这七种颜色在光谱图中标记出来吗?实际上是不能的,因为可见光的光谱图是连续谱,她是从紫色平滑地过渡到红色的。那问题来了,你又凭什么讲她有七种颜色的呢?你分明没有办法明确地分出这七种颜色,我说我的眼神很好,我分明看到了10种颜色,还有人,眼神没那么好,只能看清5种颜色,那可见光到底有几种颜色,听你的还是听我的呢?

实际上可见光有七种颜色完全是人为定义的,是大家约定可见光有七种色光,而不是可见光真的是七种色光。说起这事啊,还得赖牛顿牛爵爷。

牛顿是第一个发现光有不同颜色的人,实验就是大名鼎鼎的三棱镜色散实验,牛顿让一束光照射到了三棱镜上,发现最终出射的光出现了斑斓的色彩,原来是因为光在由空气进入玻璃,再有玻璃进入空气时,发生了两次折射。光是很聪明的,它向来沿着最短的路径前进,但不同波长的光对哪条路径最短产生了分歧,于是它们分道扬镳,宏观上,就是不同波长的光折射率不同。

牛顿老先生发现了光其实是由不同波长,不同颜色的光共同组成的,非常高兴,并按照惯例,开始给这些不同颜色的光命名。不过牛先生可能因为研究光,用眼过度,眼神不太好使,他只分辨出来六种不同颜色的光,即赤、橙、黄、绿、蓝、紫。不过后来,他又加上了靛这一颜色,可见光的颜色就变成了七种。这么做的原因也很简单,甚至有点不科学,牛顿觉得7是一个完美的数字,这数字从古希腊智者传承至今,音符、已存在的物体,甚至时代都与7存在某种关系,因此,颜色应该也是7种。所以你看到了吧,太阳光的7种色光完全是牛爵爷硬凑出来的。他只看出六种,却硬说7种,不过谁让人家首先发现了可见光的不同成分呢,况且这也不是什么大事,也就是后世会有小朋友提问,为什么彩虹有七种颜色罢了。

当然,这其实也不能全怪牛爵爷,靛位于蓝色和紫色中间,本来颜色就很接近(硬凑的能不接近吗。),而人眼又对这个波段的的光不敏感,确实又很多人无法分清靛这个颜色(说实话,我也不知道靛到底是什么颜色)。毕竟不是所有人,视力都好到八百里外能看见敌人。

参考资料:

1. 为什么倒水时水会沿着杯壁下流?| No.213 (qq.com)

2. 物理所往期回答:彩虹为什么是弯曲的不是笔直的?zhihu.com/question/1969 或物理所公众号推文:为什么彩虹是弯的而不是直的? | No.164 (qq.com)

3. 要想让我嫁给你,除非彩虹是整圆的?| No.119 (qq.com)

4. 物理所往期回答:8 月 26 日北京雨后出现双彩虹,你拍到了吗?zhihu.com/question/4826 或物理所公众号推文:物理所的霓虹有什么不一样吗?| No.271 (qq.com)

5. Visible spectrum——Wikipedia

6. 彩虹为什么都是弯的?

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