- 为什么有那么多关于彩虹的歌?
- 如何找到一个简单的物理，数学和手工
- 蒙德和亨特的非常惊人的彩虹定位器*
图1:彩虹与入射阳光成41°角。
彩虹有一些非常迷人的地方，这就是为什么彩虹出现在这么多精彩的传说和神话中，从北欧传说中的彩虹桥，到上帝在洪水后令人安心的标志，再到小妖精黄金的来源。
对科学家来说，彩虹是相对简单的光学物理的一种美丽可见的表现形式折射、反射和数学．用几根螺纹钢筋和一个海报管，你可以构建一个工具，在最简单的地方显示彩虹将在哪里形成，但也“打开你的眼睛”，隐藏在每条彩虹中可爱的对称。
你可能知道，当太阳在你身后，在天空中很低的时候，彩虹就形成了。当你在后院明亮的阳光下喷洒软管时，你可能无意中制造了彩虹。
你可能不知道，同样精确的数学关系可以预测每条彩虹的形成位置，无论是天上的“天然”彩虹还是你家后院的“人造”彩虹。有了合适的工具，你就可以精确地预测天然彩虹和人造彩虹的位置。
关键是:当你的眼睛与雨水和太阳之间的角度恰好为41°时，彩虹就会形成
(事实上，彩虹的彩色带覆盖了一个小范围的角度，从40°(红色)到42°(蓝色)，但为了简单起见，我们将引用该带的中心:41°)。
宝贝，我们来谈谈数学吧
当阳光照射到雨滴上时，它(1)进入雨滴时发生折射(弯曲)，(2)从雨滴的背面反射(3)退出雨滴时再次发生折射。
这就形成了一条与入射光线呈41°**的反射光。
(**忽略不同频率的不同角度)感谢BOM提供的原始图像。
图1说明了这一点:当你的眼睛与雨滴和太阳的角度恰好是41°时，彩虹就形成了。
图2显示了每个球形雨滴内部发生的情况:阳光进入球体，[1]折射(弯曲)，然后[2]反射到雨滴的“背面”，然后从雨滴的正面离开，[3]第二次折射。
对于任何雨滴，光进入球体和再次离开球体之间的角度将始终是41°。
所以，如果你站在地面上仰望天空，而雨滴在正确的位置，从你到它们到太阳的角度是41°，咔!Rainbow-time。
这个故事的寓意是:彩虹与入射阳光成41°角。
专家额外:
- 为什么是这些颜色?如图2所示，颜色以不同的角度折射。蓝光会从天空中比红光稍低的一组雨滴进入你的眼睛，所以彩虹会有一个内蓝色带和一个外红色带。
- 每个人看到的彩虹都不一样!(站在你旁边的朋友或兄弟姐妹正在看一组略有不同的雨滴反射的光线!)
- 当太阳很高的时候，如果你喷洒花园软管并向下看，你仍然可以看到彩虹(参见图3中惊讶的家伙)。
我如何发现彩虹
你需要建立一个工具，告诉你天空中与入射阳光的41°的确切位置。
图3:惊喜!当太阳很高的时候，你可以在花园里喷洒软管，让彩虹低到地面，只要你保持与入射阳光的41°角。
- hoola-hoop
- 海报管
- 2 xM6钢条(长度:大于箍直径)
- 12M6坚果
- 钻头，卷尺，斯坦利刀，大脑。
使用海报管和呼啦圈，你可以在正确的角度创建一个观看“模板”。
要创建一个视角为41°的三角形，测量呼啦圈的半径(R)，并计算需要多少水平长度(H)才能创建0.87比1的比率(tan 41°= 0.87)。即H = R/0.87。
[如果你的学生有能力做三角函数，把它从说明中删除，这样他们就可以自己计算了。]我们的呼拉圈半径(R)为393mm，因此我们需要水平轴长度(H)为451mm。
测量距离R从海报管的一端，钻四个等间距的孔适当大小螺纹钢棒(实际上，抵消交替孔大约一半的宽度的酒吧允许他们很好地交叉)。把你的两根钢棒以直角穿过洞。用螺母固定。
在呼啦圈上钻四个洞，把螺母套在钢棒上，然后套在呼啦圈上，再用螺母固定。用卷尺检查它的中心。
在管子的末端小心地剪出一个“观察窗”，这样当管子像望远镜一样压在你的眼睛上时，就可以看到呼啦圈了。(为了加强强度，在开口处留一条窄窄的硬纸板带。)
使用工具
管子与太阳光线平行，眼睛在左手端，从眼睛到呼拉圈的角度是41度
太阳在你身后的天空中，找一个朋友拿着水管向空中喷水，这样你就可以形成彩虹来观察。(让他们把一个拇指放在软管的末端，制造小液滴。)
为了使灯管与太阳对齐，透过灯管，将两根钢棒的“十字”与你自己头部的阴影对齐。
在不移动软管的情况下，通过“观察窗口”向上看，看箍是否与你朋友用软管形成的彩虹对齐。
当你移动你的眼睛环顾呼啦圈的周长时，你保持着相同的41°角。这就是彩虹形成圆圈的原因!只要太阳、雨滴和你的眼睛之间的角度是41°，它就可以工作。
注意目镜必须紧紧地贴着眼睛，否则距离就会错误(即使戴着太阳镜也会使目镜稍微远离你的眼睛，这样环就会显得略微太小)。这就是为什么需要一个“观察窗口”(否则你需要把管子从你的眼睛移开才能看到环)。同样地，你需要将设备对准你头部阴影的中心(你的眼睛应该在那里)。
你学到了什么?
彩虹很酷!
如果你和我们一样，那么你会发现，彩虹形成的地点和方式，而不仅仅是学习数字和理论然后用实验验证非常令人满意。当我们的工具第一次与观测到的彩虹正确对齐时，我们发出了真正的欢呼。
彩虹工具与管子平行，来自太阳的射线，软管创建喷雾(观察员缺席)
这是一个了解科学实验如何运作的好方法。你需要验证理论，然后看看可能发生了什么错误(在我们的例子中，不准确的计算，不正确的测量，糟糕的工艺技能，以及缺乏观测窗口)。
彩虹探测器直接让你参与到科学中来，它采用了我们都认识的罕见而美丽的东西，并教授它背后的科学。
我们是如何发明它的:彩虹连接
说来话长……我们想要找到主彩虹和次彩虹的交点:两者重叠的频率。
你可能已经注意到，当二次彩虹出现时，颜色是相反的:红色在里面而不是外面。这是因为穿过球形雨滴的次要路径也会反射回来——反射角度略小，为40°(因此在天空中可以看到)，并且有一个额外的内部反射(因此颜色相反)。
我们计算了两个彩虹之间重叠的光(红外线)的频率，并想要创建一个装置，看看我们是否可以在阳光直射下测量这一点。
在设计这个装置时，我们意识到我们需要验证彩虹会在哪里形成。彩虹探测器(上图)是我们解决这个问题的方法。
顺便说一下，我们估计彩虹连接发生在大约1800nm处。此外，大量的投资是必要的，以证实这一理论和实验。
彩虹工具的另一个视图显示观看窗口
——物理学家和彩虹追逐者埃罗尔·亨特和托马斯·蒙德先生(*已提交临时专利申请)