2. Окраска предметов

Определения и обозначения

Цвет предмета — зрительное ощущение, возникающее из-за спектрального состава света, попавшего в глаз от предмета. Иными словами, глаз воспринимает не окраску как отдельное свойство, а свет, который пришёл от поверхности. Это определение помогает учитывать и свойства предмета, и условия освещения. Поэтому один и тот же предмет может выглядеть по-разному при разных источниках света.

Спектральный состав света — набор цветов и их относительная интенсивность в световом потоке. Он показывает, какие составляющие видимого света присутствуют и насколько они сильны. Например, белый свет содержит широкий набор видимых составляющих, а красный источник даёт преимущественно красный свет. Знание спектрального состава нужно, чтобы понять, какой свет поверхность вообще может отразить.

Избирательное поглощение света — поглощение предметом одних составляющих спектра сильнее других. Поверхность не обязательно одинаково взаимодействует со всеми цветами: одни она поглощает, другие отражает лучше. Именно избирательное поглощение вместе с отражением связано с окраской предмета. Это понятие помогает объяснить, почему при белом освещении разные поверхности выглядят по-разному.

Рассеяние света — изменение направления распространения света при отражении от неровной поверхности или прохождении через неоднородную среду. Из-за рассеяния свет может уйти от поверхности во множество направлений, в том числе к глазу наблюдателя. Поэтому матовые предметы видны не только при взгляде под одним определённым углом. Рассеяние важно учитывать, когда объясняют, как свет от предмета достигает глаза.

Как это устроено

Цвет предмета определяется не только тем, из какого он материала или чем окрашен, но и спектром падающего света. Поверхность может отразить лишь те составляющие, которые в неё поступили и которые она не поглотила. Поэтому при смене источника меняется набор лучей, способных попасть от предмета в глаз. Даже свойства поверхности не гарантируют один и тот же вид при любом освещении.

Когда на предмет падает белый свет, его поверхность взаимодействует со всеми составляющими спектра. Часть излучения отражается от поверхности, часть поглощается; отражённая часть может рассеяться в разные стороны. Если рассеянный свет направлен к наблюдателю, глаз получает его и воспринимает цвет. Поглощённая энергия не попадает в глаз как отражённый свет, поэтому поглощение влияет на то, каким будет видимый спектр.

Красный предмет при белом освещении кажется красным, потому что его поверхность преимущественно отражает красную составляющую. Большую часть других составляющих она поглощает, и в отражённом свете красный цвет оказывается выражен сильнее. Слово «преимущественно» важно: красная поверхность не обязательно отражает только красный свет и полностью поглощает все остальные цвета. Именно соотношение отражённых составляющих определяет впечатление от предмета.

Белая поверхность отражает большую часть составляющих видимого спектра, поэтому в отражённом свете сохраняется широкий набор цветов. Если он попадает в глаз в достаточно сбалансированном виде, предмет кажется белым. Чёрная поверхность, напротив, поглощает почти весь падающий свет и отражает очень мало. Поэтому от неё к глазу приходит слабый световой поток, и предмет выглядит чёрным или очень тёмным.

При цветном освещении в падающем потоке отсутствуют некоторые составляющие белого света, а другие выражены сильнее. Предмет может отразить только то, что на него падает и не поглощается его поверхностью. Если освещение не содержит составляющую, которую предмет обычно отражает преимущественно, отражённый свет будет слабым. Например, красная поверхность при синем свете может выглядеть почти чёрной, поскольку синюю составляющую она обычно поглощает.

Окраска предметов при освещении белым светом

Таблица описывает предметы при белом освещении: в падающем свете есть широкий набор составляющих, из которого поверхность избирательно отражает и поглощает. Сравнивай столбцы отражения и поглощения, чтобы связать свойства поверхности с цветом попавшего в глаз света. При цветном источнике сначала выясни, какие составляющие есть в освещении, а затем определи, какие из них поверхность способна отразить.

Разбор задач

Красный лист при белом свете

Условие. Красный лист бумаги освещают белым светом. Нужно определить, какие составляющие спектра преимущественно отражаются и какие поглощаются. Считаем, что лист ведёт себя как обычная красная поверхность.

1. Белый свет содержит широкий набор видимых спектральных составляющих.
2. Красная поверхность избирательно взаимодействует с этими составляющими: красную отражает лучше, а большую часть остальных поглощает.
3. В глаз от листа приходит отражённый свет, в котором красная составляющая выражена сильнее других.

Ответ. Лист преимущественно отражает красную составляющую, а большую часть остальных составляющих белого света поглощает. Это не означает, что отражается исключительно красный свет: важно именно преобладание красной составляющей.

Зелёный предмет при красном свете

Условие. Зелёный предмет освещают красным светом. Нужно определить, как он будет выглядеть, учитывая одновременно освещение и свойства предмета. Предполагаем, что поверхность преимущественно отражает зелёную составляющую, а прочие поглощает.

1. Красный источник освещает предмет светом, в котором преобладает красная составляющая; зелёной составляющей почти нет.
2. Предмет не может отразить зелёный свет, которого на него практически не падает.
3. Попавшую на поверхность красную составляющую зелёный предмет преимущественно поглощает, поэтому отражённый к глазу свет слаб.

Ответ. Предмет будет выглядеть очень тёмным или почти чёрным. Причина не в том, что он изменил свои свойства, а в том, что освещение не содержит составляющей, которую он обычно отражает преимущественно.

Жёлтый предмет при синем свете

Условие. При белом освещении предмет выглядит жёлтым. Нужно определить, как он может выглядеть при освещении только синим светом. Считаем, что его поверхность отражает составляющие, дающие жёлтое восприятие, и преимущественно поглощает синюю.

1. Белый свет содержит и составляющие, которые жёлтый предмет отражает, и синие составляющие, которые он поглощает.
2. При освещении только синим светом на предмет падает преимущественно синяя составляющая.
3. Поверхность поглощает эту составляющую, поэтому от неё к глазу приходит мало отражённого света.

Ответ. Жёлтый предмет может выглядеть тёмным или почти чёрным. В освещении нет составляющих, которые он обычно отражает, а присутствующий синий свет поверхность преимущественно поглощает.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что предмет сам испускает свет своего цвета. Такое объяснение кажется правдоподобным, потому что предмет выглядит окрашенным и при обычном освещении. Но чаще глаз видит отражённый или рассеянный свет, а не собственное излучение предмета. Проверь себя: если убрать освещение, окраска обычно перестанет быть видимой.

Вторая ошибка — утверждать, что красный предмет отражает только красный свет. Так упрощают объяснение избирательного отражения и поглощения, но реальные поверхности могут отражать и другие составляющие, только слабее. Проверяй формулировку: обычно правильно говорить «преимущественно отражает красный». Это описывает относительное преобладание, а не полное отсутствие других цветов.

Третья ошибка — определять цвет предмета, не учитывая источник освещения. Её допускают, когда запоминают название поверхности и считают его неизменным при любых условиях. Однако отражаться могут лишь составляющие, присутствующие в падающем свете. Для проверки сначала назови спектр источника, затем выясни, какие его части поверхность отражает и поглощает.

Четвёртая ошибка — путать сложение цветов света со смешением красок. Световые потоки складываются, тогда как краски взаимодействуют с падающим светом и каждая избирательно его поглощает. Правила одного случая нельзя автоматически переносить на другой. Проверяй себя вопросом: складываются ли излучения источников или речь идёт о слоях окрашенной поверхности?

Связь с другими темами

Для понимания окраски предметов нужны знания о распространении, отражении и поглощении света, белом свете и его спектре, а также о восприятии света глазом. Эти идеи пригодятся при изучении светофильтров, цветной фотографии, экранов и освещения: в каждом случае важно, какой спектр создаётся или проходит дальше. Тема связана с разложением белого света в спектр и сложением световых потоков. При этом смешение света нужно отличать от смешения красок, которое основано на поглощении и отражении.

Что запомнить

• Цвет предмета определяется составом света, попадающего в глаз.
• Белый свет содержит набор видимых спектральных составляющих.
• Окраска предмета связана с избирательным поглощением и отражением света.
• Белые поверхности отражают большую часть падающего света.
• Чёрные поверхности поглощают почти весь падающий свет.
• При изменении цвета освещения может измениться и видимый цвет предмета.
• Без света предмет обычно не воспринимается как имеющий цвет.