Odpowiedź w skrócie: W zasadzie tęcza powinna ten łuk wypełniać. Jednak nie widzimy tego, bo wewnątrz łuku natężenie światła jest bardzo małe.

Wyjaśnienie: Promienie świetlne składające się na tęczę wchodzą do kropli wody załamując się, następnie odbijają się od wewnętrznej powierzchni kropli, po czym wychodzą z kropli załamując się ponownie. Kąt, o jaki promień wychodzący z kropli jest odchylony w stosunku do promienia padającego, zależy od kąta padania, a ten zależy od miejsca, w którym promień padł na kroplę. Przy padaniu na środek kropli promień zawraca pod kątem 180 stopni, co odpowiada środkowi łuku tęczy. Padając coraz dalej od środka kropli, promień wraca pod coraz mniejszym kątem, odchylając się coraz bardziej od 180 stopni, aż wreszcie odchylenie to osiąga maksimum przy pewnym kącie padania. Jeśli kąt padania dalej się powiększa, odchylenie promienia powracającego od 180 stopni zaczyna maleć. A zatem tęcza powinna wypełniać zakres kątów od zera do maksymalnego odchylenia.

Jednak w pobliżu maksymalnego odchylenia małe zmiany kąta padania nie powodują zauważalnych zmian kąta odchylenia. Dlatego pod kątami odchylenia bardzo bliskimi maksymalnemu obserwujemy silne zagęszczenie promieni powracających, co obserwuje się w postaci łuku tęczy. Tęcza jest kolorowa, bo ten maksymalny kąt zależy od współczynnika załamania, który jest trochę inny dla każdej długości fali, czyli koloru światła.

Proponuję jako ćwiczenie przeprowadzić odpowiednie obliczenie i zrobić wykres zależności kąta, pod jakim powraca promień świetlny, od kąta padania.

Powyższe wyjaśnienie zostało sformułowane przy użyciu optyki geometrycznej, a zatem nie uwzględnia takich falowych właściwości światła, jak interferencja czy dyfrakcja. Jest to uzasadnione, gdy rozmiar kropli jest bardzo duży w porównaniu z długością fal świetlnych.