为什么彩虹是弯的而不是直的? | No.164_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-07-19 13:43
原创：中科院物理所
雨后彩虹，
作为大自然的馈赠，
成为了炎炎夏日中令人期待的奇观。
呈弧形的彩虹划过天际，
于是有了
白虹贯日、气贯长虹、长虹饮涧等
生动形象的画面，
那么问题来了，
彩虹为什么总是弧形的呢？
1
Q
振动的物体一定发声吗？
by 百川
A
我们都知道，声音是物质振动时产生的声波，是能够通过介质被人体或动物的听觉器官所感受到的波动现象。因此，听到声音需得满足：物质振动，介质，能够被听觉器官感受到。振动的物体只满足了第一个条件，声音在真空中无法被传播，这是考虑到介质的因素。固体中晶格振动产生声子无法被人体器官感受到，因此可以说不发声，对于一些超过听觉器官感受到的声音频率，人体或者动物也无法“听到”声音。因此，不能说振动的物体一定发声，反过来，物体的振动是发声的必要不充分条件。
By Nuor
2
Q
鼠标为什么在鼠标垫上才灵？
by 匿名
A
机械鼠标下部有一个滚球，拖动鼠标时滚球转动，进而获得鼠标的定位。鼠标垫提供了一个较大摩擦力的平面，使得滚球的滚动不打滑，因此可以增加定位的精确性。
现在市面上的鼠标大多是光电鼠标，里边有一个发光二极管。二极管所发出的光会被表面反射一部分，反射光通过透镜组后传输到光感应器件。当光电鼠标移动时，其移动轨迹会被记录为一组高速拍摄的连贯图像，被光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片分析处理。该芯片通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。对光电鼠标来说，鼠标垫可以提供一个方便鼠标感光器系统计算移动向量的平面，防止因为玻璃等特殊材质的表面反射与折射影响鼠标的感光器定位。
By Patwf
3
Q
众所周知金刚石是自然界中最硬的物体，那金刚石是如何塑形加工的呢？
by 华殇
A
金刚石的原石形状往往不规整，光线透过反射和折射的随机性使之往往看来不够闪耀，后期的打磨和抛光能够很好设计金刚石的各个晶面，使金刚石变为闪烁生辉的钻石。
钻石的加工一般包括四个步骤：划线标记、分割、成型和抛磨。其中分割和抛磨是主要的塑形加工的过程。分割过程现代工艺主要是利用激光切割的技术，其切面宽度窄（0.1mm），光滑性好(12.5μm)，对钻石的耗损小，且成型美观。抛磨中利用了“只有钻石才能打磨钻石”，并且由于钻石具有各向异性，将钻石粉作为磨粉打磨抛光钻石，结合切割的过程，钻石可以成型为固定形状的几何体，其每一个角度和面都是经过精准计算，从而保证可以充分利用光线，使之璀璨亮丽。
By Nuor
4
Q
请问湿度计的原理是什么？
by 匿名
A
在此介绍一种常见的湿度计，名为干湿球湿度计。
干湿球湿度计有两只规格一样的温度计，两只温度计不同之处在于，一只温度计的球泡上包裹有浸湿的白纱布，叫做湿球；另一只球泡直接与空气接触，用于测定气温，叫做干球。干球测定的是气温，而湿球因为有浸湿的白纱布包裹，当空气中相对湿度低于100%时，水分会蒸发吸热，使得湿球的温度低于干球的温度。空气越干燥，蒸发越剧烈，干湿球的温度差就越大，通过两者之间的温度差就能测定出环境的湿度。原理虽然很简单，但是在不同的气温下，干湿球的温度差代表了不同的湿度，关系很复杂，一般需要查询湿度图获得绝对湿度。在家用的干湿球湿度计上会有湿度对照表，可以从上面读出相对湿度，也有的在底部装有计算盘，转动计算盘也可得到相对湿度。
By 重光
5
Q
为什么会有丁达尔现象？
by 匿名
A
在光线传播的过程中，光线照射到粒子时，当粒子的尺寸远大于光的波长时，将会发生光的反射和折射，当粒子的尺寸小于光波长时，发生的是散射。生活中见的比较多的是瑞利散射和米氏散射。粒子的尺寸小于0.1λ时，发生的是瑞利散射，散射强度依赖于入射光波长和粒子的大小，入射光波长越短，粒子越大，发生的散射就越强。而粒子的尺寸和光的波长比较接近时，发生的是米氏散射，米氏散射的特点是散射强度与波长几乎无关，因此对所有波长的光都散射。
可见光波长一般在390~700nm之间，而胶体粒子直径在1~1000nm（典型的是1~100nm，也就是高中课本上提到的），因此丁达尔效应其实就是散射现象，而真溶液中的粒子尺寸太小了，散射现象不明显，因此没有丁达尔效应。举个例子：当一束白光（复色光）照射胶体时，因为胶体粒子尺寸大致是波长的，胶体粒子对蓝紫光的散射比较强烈，所以胶体正面透过的光以长波光居多，侧面散射的光以短波光居多。汽车的雾灯是黄色的也正是这个原因（为了减少散射，提高透过性）。
By 重光
6
Q
为什么彩虹总是弯的，而没有直的彩虹？
by 华殇
A
彩虹形成的自然条件需要空气中有水滴，观察者背对阳光，光以低角度照射空气中的小水滴，光在水滴之中经过折射和反射到达人眼中，不同颜色的光频率不同，其通过不同介质的折射率不同，频率越大，折射率越高，因此，白光经过折射可以形成“七彩”的虹。
弯曲的彩虹形成以红光为例，一束光线经过球形的水滴，利用斯涅耳定律和反射定律确定其角度偏差定为D（α），大小为：180°+2α-4β，示意图如下：（有兴趣的筒子可以求解一下~）
利用斯涅耳定律可以用α替代β，从而得出偏差角随α的变化关系（折射率定为1.33），为：
从以上示意图可以看出，其偏差最小对应的角度范围内的光线是最集中和明显的，更加直观一点，可以画2D示意图，如下：
因此，这个使偏差角最小的α的角是我们要求的。求解可得α的角度为59.58°。从而偏差角为137.48°，水滴折射出的光线与太阳光形成的夹角为42.52°，以人眼为圆锥点，太阳光平行的方向为高，42.52°为母线与高的夹角，光线形成一个圆锥面，由于眼睛无法区分距离，所以看到的是一个圆弧。（其他角度由于光线的密度低，会发散。）
针对不同的光线，其夹角会有微小区别，因此会形成七彩圆形的虹。生活中由于地面的阻挡，因此只能看到圆弧的一部分，就是一个弯曲的拱形虹。
有关于彩虹的一个很有意思的点就是，每个人看到的彩虹都是由不一样的水滴反射得到的，它是独属于你一个人的彩虹。
参考：彩虹中的数学
By Nuor
7
Q
液态水要多深才能被水压压成固态？
by 匿名
A
我们先来看一下水的相图（注意纵坐标是对数），从相图中可以看出如果想让常温下的水变成固态，需要大约1GPa的压强，那么我们就可以算一下大概要多深的水才能产生这么大的压力。
图片来源：维基百科
假设水的密度是1000 kg/m3，g取10N/kg，那么根据液体中压强的计算公式，
，可以知道需要106m深的水才行，也就是需要十万米深的水。地球最深处的马里亚纳海沟也就才1.1万米左右，远远不够，将液态水压成固态，需要将近10个马里亚纳海沟才行。
要注意的是，上面仅仅是估算，实际上不需要那么深的水。因为水的密度其实是会随着压强增大而增大，简单的说就是水被压缩了。平时说水不可压缩只是在一些温和的条件下，在题目这种极端条件下，水的密度变化就要考虑。见下面右边那张图，可以发现，0℃下，当压强增加到1GPa的时候，水的密度都已经超过了1200kg/m3。
图片来源：water_density
By 重光
