手把手教你自制彩虹！天气之子告诉你彩虹的尽头有什么？_风闻

世界上每按下一次快门，就有一个直男失去女朋友。我刚学了拍彩虹的创意摄影，就去找妹子拍照，你们大家评评理，这照片拍得不妙吗？

　　多好看啊！

　　觉得妙的请在评论里打1，觉得不妙的请评论一下sinx在0到pi/2上的积分。

　　果然大家还是觉得妙啊！平时雨后难得出个彩虹，朋友圈都会刷屏。但刚才我们妙就妙在

　　它就在面前，看起来美美的，摸起来凉凉的，尝起来怎么有点奇怪……

　　回想一下我见过的雨后彩虹，我不禁陷入沉思。为什么所有人看到的彩虹都是一个正面的七彩圆拱门呢？

　　如果一个人站在这，他能看到彩虹的左视图吗？

　　那么今天，我就来带大家走到彩虹旁边，告诉大家在彩虹的尽头能看到什么。

　　一、彩虹的形成原理

　　雨过天晴的好日子，你背对太阳，面前有一坨小水珠构成的幕布，跟你的距离为d，太阳高度为θ。

　　一束阳光照进小水珠，首先在表面发生了一波反射和折射，这个折射满足我们学前班就学过的斯涅尔定律。

　　折射光到达水珠背面，又产生了两条折射的折射光和反射的折射光。反射的折射光回到水珠正面，又产生了反射的反射的折射光和折射的反射的折射光。

　　其中这条光路是最重要的，建立一个坐标系，易得它们的方程。

　　整体上看，水珠相当于把入射光弯折了一定角度又送回来了。那么究竟弯折了多少度呢？实际上有无数道平行光射入小水珠，每根光线被弯折的角度都不一样。

　　我用matlab生成了十万条平行光射入水滴，逐个画出光路统计了弯折角，发现被弯折了42度左右的光线最多。

　　哦?！难道这就是为什么42是世界的答案！

　　这个问题的理论证明是笛卡尔提出的，朱朝阳都能看懂，相信你也可以。

　　综上所述，平行光入射，相当于变成夹角为84度的光锥。七色光的折射率略有不同，返回时外红内紫。在三维空间中看，相当于变成了一个七彩大光锥。

　　现在回到那个水幕，想象你面前的每个水珠都发射了一个84度的光锥。

　　光锥的边缘是七色的，所以那些发出的七色光恰好能进入你眼中的水珠看上去就是七彩的，它们就构成了彩虹的形状。

　　这些水珠和你的连线与太阳光的夹角应该是42度，所以彩虹就是太阳对面的一段圆弧。换个思路想，彩虹相当于是从你的眼睛发出的一个七色光锥与水幕的相贯线。

　　这里对空间想象能力要求略高，想不明白的同学可以往死里想。现在我们能回答关于彩虹的各种问题了！

　　首先是周杰伦同学的问题

　　**我来告诉你！**彩虹看上去在距离你d的水幕当中，仰角42-θ，表观半径约为d[tanθ+tan(42-θ)]。

　　还有更神奇的，彩虹下面的天空比上面更亮。彩虹的上面还有一个外紫内红的二阶彩虹，理论上东北比海南更容易看到彩虹。

　　不过彩虹位置并不固定，你动它也会动。所以你压根不可能绕到彩虹的旁边，也永远看不到彩虹的侧视图，它永远在你可望而不可及的前方守护你。

　　不过好消息是，你站得越高，看到的彩虹就越完整。如果你爬到高山上，你甚至有可能看到整个彩虹环。

　　走，一起爬山啊。

　　现在你已经学会如何给别人表演一个大变彩虹了。

　　首先测出太阳高度角θ，背对太阳疯狂喷水！观察水雾中视角42-θ的方位，彩虹就在那！

　　怎么喷并不重要，关键是水雾要多要细。只要喷得足够细，轻松造一个彩虹送给女朋友也不是问题。

　　二、彩虹的延申

　　用这种方法可以给女朋友拍出美丽的彩虹照，但她可能会一头雾水。别怕，我还有很多招。

　　用光照一盆水，墙上会打出好几道彩虹，拍照非常有艺术感，现在的女生都喜欢。

　　如果你觉得比较麻烦，那你可以买块钻石，钻石色散直接就能产生彩虹。

　　这个简单吧！完事后反手一个求婚，试问哪个女生看了不会惊呼一声

　　仔细观察，其实生活中到处都有彩虹。阳光下的泡沫是彩色的。这是因为泡沫厚度在百纳米级别，光发生了薄膜干涉，产生彩虹般的条纹。

　　这种色彩非常常见！水面上的油膜、CD的另一面、蝴蝶的翅膀、车床车下来的铁屑、甚至我家的酱牛肉上。

　　任何一层薄薄的透明物体，都有可能发生薄膜干涉，产生彩色的图像。

　　把一量筒蔗糖溶液放在偏振片中，定睛一看，你会发现溶液的颜色竟然变换莫测，反复横跳！

　　有机优秀的同学应该知道这是因为蔗糖有旋光性，偏振光通过蔗糖溶液会被旋转一个角度，最后通过偏振片变成了彩色的溶液。

　　刚才给大家展示了生活中的很多彩虹现象，但你会发现这个说法

　　素材来源于@沧桑丸

　　那些彩虹般的颜色其实并不是真实的存在。钻石、泡沫、油膜、CD、蔗糖、酱牛肉，它们其实没什么特别的颜色。

　　那为什么这些看似毫无关联的物质最后却殊途同归，共同构成了一幅七彩的画卷呢？

　　这是因为我们看到的颜色，不仅仅来自于物质原本的颜色，还来自于它的微观结构。

　　天空是蓝色，不是因为天上有蓝色的东西。把一个蓝眼睛的人的虹膜分离出来制成粉末，你会发现它是棕黑色的。有时物质的微观结构会决定它呈现出来的颜色。

　　这是光的特殊之处。别的物理量比如尺度的变化，无非是短到长，质量的变化，无非是轻到重，平平无奇。但光波长的变化

　　我们前面说的那些物质，都是在微观上有精细的结构。

　　所以自然光通过这些物质时，会由于反射、折射、干涉、衍射、双折射、旋光、偏振等等我们小学二年级就学过的各种光学效应，七色光就此被区分开来，从而给一个难以捉摸的微观结构赋予了炫丽的色彩。

　　这才让我们能用颜色去描绘泡沫的厚度，看清蔗糖的手性，表征CD的刻痕。

　　三、深度思考

　　那么很自然就能想到，我们能不能用光的这个性质去观察一些原本看不见的东西呢？在这个世界上，只要有科学家敢想，就有工程师敢做。

　　这是一把平平无奇的尺子，加上一层平平无奇的片片，amazing啊！尺子出现了诡异的花纹。这个现象叫光弹性。

　　塑料制品内部不均匀，但“不均匀”是一个看不见的事。偏振光通过塑料制品时会由于双折射现象导致两束主应力方向的光分量偏振态不同，通过偏振片后干涉出现彩色图样。

　　素材来源于@ACQUAIN

　　这个图样，就非常simple，非常简单，它让我们直观看见了塑料内部不均匀的应力分布。

　　这门技术发展成了光测弹性学。它可以判断复杂结构在复杂载荷下究竟哪里最脆弱，断裂的时候材料内部发生了什么。

　　比如有文献拿它寻找建筑内应力集中的区域，牙医用它分析补的牙在嘴里是否安好，大家很喜欢的鲁伯特之泪用光弹法一看，就能看出这玩意是真的头铁。

　　素材来源于@Purdue Engineering

　　光是科学家看清微观世界的巧妙工具。比如白光干涉仪可以用彩虹条纹看出材料表面几十纳米的波动起伏。

　　偏光显微镜能用彩色放大物质内部细微的性质差异。七色光帮我们还原了一个精细而炫丽的微观天地。

　　你靠光看见了这个世界，而科学家用光学看见了那些原本看不见的世界。所以彩虹可不只是雨过天晴的梦幻，彩虹也是微观的画卷。

　　感谢大家收看本期内容！最后留下一道思考题：

　　七色光本质上是很窄的一段电磁波，为什么大多数视觉动物都不约而同选择了这段电磁波用来成像呢？