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1、彩虹、日晕、月晕及光海射现象的形成原理分析(1) 光能子的质量与光在大气中的反射与折射规律光是一种能子。光能子高速自转，产生强大的两极。同种光能子异极相吸， 形成连续的光线。光线在真空中以C=2.99792458*108m/s的速度传播的同时， 由于光能子自转，导致光线上的各点除传播速度外还产生了一个垂直于传播方向 的振动，形成横向振动波，使光线由直线转变为螺旋形。人们普遍认为光是能量，没有质量，实际上光是有质量的。根据质能守恒， 引入普朗克常数h(h实质是一种光能子的质能总量)及真空中一种光能子的速度 C，可以计算这种光能子质量：M h/C2，M为该光能子质量，h为普朗克常 数，C为该光能子
2、在真空中的传播速度，h = 6.626196x10-34 Js，以 C=2.99792458*10A8m/s，可得出 M = 2.94905494x10A-50kg。而彩虹、日晕环、 月晕环、光浴射正是因为光子的质量差异形成的。按照质能守恒定理，在总质能与绝对速度相同的情况下，自转速度大的光子 质量较小，形成的光线的振幅较大，光子的波段较短，如紫光；自转速度小的光 子质量较大，形成的光线的振幅较小，光子的波段较长，如红光。因为光能子有质量，当太阳照射所经过的大气层密度和均匀度合适时，光能 子与大气粒子相互作用，就会产生反射或折射。质量较大的光能子在大气中的运 行惯性较大，因而在大气中的反射角较
3、大，折射角较小，如红色光；质量小的光 能子则相反，如紫色光。(2) 瞳孔成像为解释彩虹、日晕环、月晕环的形成原理，先要简要介绍直射与反射在人眼 中形成图像的原理。在图一中，太阳边缘垂直于圆心的线段AB通过瞳孔后在视网膜上的成像A B，通过视觉神经，人就感觉到了 AB。AABB瞳孔B图一物体通过瞳孔成像示意图在平面镜反射条件下，太阳边缘垂直于圆心的线段AB经平面镜L反射后通 过瞳孔后在视网膜上的成像为AB,通过视觉神经，人就感觉到了 AB在平面 镜中形成的虚像A，B，。见图二。图二物体通过平面镜在瞳孔成像示意图(3) 彩虹是太阳边缘的影子彩虹是怎样形成的呢？阳光在空气中传播时会发生反射和折射。夏
4、天，由于空气强对流作用而形 成局域性暴雨。暴雨过，在空气中形成一个垂直于地面的含水层。阳入光射含水 层时发生折射，在射出含水层时发生反射。由于含水层的密度大于非含水层的密 度，因而当阳光刚好以发生全反射的角度射出含水层时，阳光的反射率最高，从 而形成彩虹，而以其他角度射出含水层，则由于反射率低而不能形成彩虹。如图 三.假设L是阳光入射含水层的分界线，AB为太阳的直径。从AB发出的一 组光线射入L，折射作用导致阳光分解成七色光。由于观察者位于含水层之内， 彩虹形成后的折射作用不很明显，在示意图中予以忽略。由于红光光能子的质量 大，惯性较大，经折射后，折射角较其他可见光小，从A点的以一定角度入射
5、的红光经折射后在A点由于反射率大而成像，而紫光经折射后成像于A点。 同样的原因，B点发出的以特定角度入射的红光经折射后在大气中成像于B， 而紫光经折射后成像于B。从而在大气中形成红色实像AB及紫色实像A B。大气中AB红色实像上的光射到瞳孔中，在视网膜上形成红色的像CD。 大气中AB紫色实像射到瞳孔中，在视网膜上形成紫色实像CD。同样的 道理，AB上的其他光以一定角度入射含水层经折射后，则成像于BA之间。 由于视角及折射光重叠的影响，彩虹中的每种色带都比太阳的直径要窄。这就是 彩虹形成的原理。LAABAB瞳孔CDCDB图三彩虹形成原理示意图如果空气中的水料子密度、均匀度、太阳光入射的角度都适宜
6、，大气的折 射与反射效果很好，在适当的位置人们就能看到彩虹。一般来讲，大气中杂质少， 太阳明亮，含水空气反射率大，实像反射经过的距离恰到好处，彩虹会色彩鲜艳 明亮。如果空气条件差，或观测点不适合等原因，AB与AB及中间光的大 部分就会重合，形成混合光，只有A点、B点分别形成红色与紫色实像，A B之间的其他光则因混合而呈白色。人们有时会看到双重彩虹，其中的外层彩虹是由于日冕层异常明亮形成的。 日冕层较宽，亮带由中间向内向外的亮度都逐渐减弱，形成的彩虹往往是多个彩 虹重叠，其紫色与红色较明显，其他色彩层次较模糊，导致人们认为外层彩虹与 主彩虹的色彩顺序相反。在瀑布、喷泉处，人们往往能看到小彩虹，这
7、是因为瀑布、喷泉形成水雾 层，空气中的局部区域反射率提高，太阳光经水雾层折射、再反射而形成的。其形成过程如图四:图四小彩虹形成原理示意图总之，彩虹不过是太阳边缘的特殊影子。由于折射的作用，影子变成了从外到内呈现红、橙、黄、绿、青、靛、紫，或呈现红、白、紫的彩色，比平面镜 反射形成的影子也要大得多。同时，由于观察者往往处于太阳下方，因此只能看 到太阳上半个边缘所成的像。在空中，背对着太阳，在适当的时机则可能看到太 阳边缘的整个影子一一圆形彩虹。海市蜃楼形成原理与彩虹的形成原理是一致的。海市蜃楼是看到海市蜃楼的人们的背后的实物在大气中形成的实像。两者不同之处在于彩虹形成的光线经 过了长距离大气折射
8、，发生了分光后反射形成的，海市蜃楼是没有通过折射分光， 就直接通过大气反射形成的。(4) 日晕、月晕是日、月的虚像A图四月晕形成示意图日晕、月晕则是日、月发出的光线经大气折射后形成的日、月的虚像。具体 形成过程如图四：AB是太阳边缘垂直于圆心的线段，A靠近中心，B靠近边缘，L为大气层。从AB发出的没有折射的光线经大气、瞳孔在视网膜上成像为A B，从AB发出的红光有一部分则会在大气中发生折射。入射角度越大，大气密 度、均匀度越适合，折射的效果越明显。经折射后，AB发出的红光在视网膜上 形成图像AB，通过眼睛的直觉，就会在天空中看到AB的虚像ab。同 样的道理，AB中的部分紫光也会发生折射，因为紫
9、光的质量小，折射率更大， 因而形成AB的紫色的虚像cd。由于形成原理不同，日晕色彩分布与彩虹完全 相反，内红外紫。为了表达方便，以上各图没有按光的实际折射率进行计算，没体现眼睛的聚 焦等调节功能，也没体现光线在大气中发生的折射不是一次到位，而是通过不断 折射呈弧形传播，因而对一些折射现象还不能解释。例如，按照光线直线传播理 论，在日、月升起、落下时，人们只能看到日晕、月晕的下半部分；在日、月运 行到中间时，人们就看不到日晕、月晕。但实际上，人们在日月运行到中间时能 看到日晕、月晕的整体，这就是大气连续折射及人眼调节的结果。(5) 光的海射现象源于光线是螺旋形当光线穿过比光波振幅小的孔或窄缝时就
10、会产生光的浴射现象。这时，光线 不是以传播方向直射通过小孔或窄缝，而是以光子上的振动点入射于小孔壁或窄 缝壁。由于光子上的点的速度是由纵向前进的光速C与横向振动速度合成，而 横向振动速度则是随着光波上点的位置不同而不断变化。光波上的点与小孔壁或 窄缝壁发生弹性碰撞，导致光子以最后一次碰撞小孔壁或窄缝壁的速度(即最后 一次入射时光点的传播速度与振动速度的合成速aADCbB图五光线浴射示意图度)射出小孔，从而形成浴射现象。其形成过程如图五：光线a入射小孔后振动 波幅被压缩，入射光线上的点与小孔壁或缝壁发生碰撞。光线射出小孔时以入射 C点的光点的横向振动与纵向传播速度的合成速度射出，在屏幕A点形成图
11、象。同样，光线b经过小孔碰撞后在D点射出后，成像于B点。由于光直线传播的 速度是确定的，所以光湿射所形成的像离中心点的距离与屏幕离小孔的比等于光 点横向振动速度与光传播速度C的比。当横向振动速度为零时，光线直射到屏 幕中间，不发生湿射。光湿射的亮纹的宽度是由光线入射孔壁或缝壁的宽度决定 的，紫色光入射点的入射角较小，因而亮纹的宽度较窄，红色光则相反。由于光 线是螺纹状的，因而入射平行于孔中心线的的孔壁的光速是不连续的，从而产生 州丁射中的暗条纹，暗条纹的宽度是由光线的螺纹距大小决定的。紫光的螺纹距较 红光小，暗条纹较红光窄。此外，由于光能子质量很小，速度很快，因而也容易被反射、折射、反射、 吸收，阳光通过大气时，这四种情况同时存在；由于光线呈长线型，非两极作用 力较大，不同光的传播速度相同，因而各种色光极容易形成混合光；由于光能子 异极相吸的能力很强，光线极容易被各种物体所吸收，转化为其他光或其他的能 量形式。总之，光是有质量的，不同的光能子传播的速度虽然相同，但自转的速度各 异，各自的质量也就各不相同。
