§ 24. Цвет

Определения и обозначения

Цвет света — зрительное ощущение, возникающее, когда свет определённого спектрального состава попадает в глаз. Цвет не является самостоятельной характеристикой световой волны: физически свет описывают частотой, длиной волны и интенсивностью, а цвет возникает в зрительной системе. Поэтому одно и то же ощущение может быть вызвано разными световыми волнами.

Спектральный состав света — набор длин волн и относительных интенсивностей, из которых складывается свет. Если свет содержит одну длину волны, его называют монохроматическим; если несколько — сложным. Это различие нужно, чтобы понять, почему разные источники могут казаться одинаковыми по цвету, хотя физически их излучение различается.

Аддитивное смешение цветов — получение нового цветового ощущения при сложении световых потоков. Основные цвета света — красный, зелёный и синий: их сочетания дают другие цвета, а совместное действие всех трёх при подходящих интенсивностях воспринимается как белый свет. Этот способ смешения используется, например, в экранах.

Субтрактивное смешение цветов — изменение цвета при избирательном поглощении света красками или фильтрами. В отличие от сложения световых потоков, здесь отдельные составляющие падающего света удаляются из него поглощением. Поэтому смешивание пигментов обычно даёт более тёмный результат, чем смешивание световых лучей.

Как это устроено

В глазу есть рецепторы, чувствительность которых различается для разных областей спектра. Мозг сопоставляет сигналы от этих рецепторов, а не анализирует каждую длину волны отдельно. Поэтому множество спектральных воздействий сводится к ограниченному числу зрительных сигналов: два разных спектра могут восприниматься одинаково.

Белый свет можно разложить на спектр, потому что он содержит составляющие с разными длинами волн. Призма преломляет их неодинаково: показатель преломления материала зависит от длины волны, поэтому лучи расходятся по направлениям. Участки спектра соответствуют разным диапазонам длин волн; пурпурный же цвет получается при совместном воздействии красной и синей областей и не имеет одной собственной длины волны.

При аддитивном смешении на одну область экрана одновременно попадают световые потоки. Красный и зелёный свет вместе дают жёлтое ощущение, зелёный и синий — голубое, красный и синий — пурпурное. Если добавить все три основных цвета в подходящих соотношениях, их сигналы для глаза создают ощущение белого; при иных интенсивностях результат будет другим.

Предмет выглядит окрашенным, потому что его поверхность не одинаково взаимодействует со всеми составляющими света. Часть волн она отражает, а часть поглощает; отражённый свет попадает в глаз и вызывает цветовое ощущение. Значит, вид предмета определяется одновременно его поверхностью и спектром освещения, а при отсутствии подходящего света предмет может выглядеть тёмным.

Цветные фильтры и краски изменяют спектральный состав света избирательно. Фильтр преимущественно пропускает одни составляющие и поглощает другие, а непрозрачная краска в основном отражает часть света и поглощает остальное. Поэтому фильтр меняет спектр проходящего света, а краска — спектр света, отражённого поверхностью; оба случая отличаются от сложения световых потоков.

Способы получения и изменения цвета

В таблице показано, что происходит со светом до того, как он попадает в глаз. Сравнивайте случаи по средней колонке: сложение лучей отличается от отражения, поглощения и пропускания через фильтр. Итоговый цвет в каждом случае — это ощущение наблюдателя, а не неизменное свойство источника или предмета.

Разбор задач

Белый свет пропускают через призму

Условие. Белый свет проходит через призму; за ней наблюдается цветная полоса. Нужно объяснить её появление и различие цветов вдоль полосы. Здесь важно связать наблюдение не с окраской призмы, а с составом падающего света и преломлением.

1. Белый свет содержит множество составляющих с разными длинами волн.
2. Вещество призмы преломляет их неодинаково, поскольку его показатель преломления зависит от длины волны.
3. После выхода из призмы составляющие распространяются под разными углами и разделяются.

Ответ. Цветная полоса возникает из-за разложения белого света в спектр. Её участки соответствуют разным длинам волн, поэтому воспринимаются как разные спектральные цвета.

Красный и зелёный лучи на белом экране

Условие. На белый экран одновременно направлены красный и зелёный лучи; затем один луч выключают. Требуется определить цвет перекрытия и изменение при выключении. Экран нужен для отражения падающего света, а не для смешивания красных и зелёных пигментов.

1. В области перекрытия на экран одновременно падают два световых потока.
2. Красный и зелёный свет при аддитивном смешении дают жёлтое цветовое ощущение.
3. Если выключить один луч, в области останется только другой цветной поток.

Ответ. Перекрытие выглядит жёлтым. После выключения красного останется зелёный участок, а после выключения зелёного — красный.

Красный предмет освещают белым, затем зелёным светом

Условие. Нужно сравнить вид красного предмета при белом и зелёном освещении. Рассуждать следует по пути света: от источника к предмету, затем от поверхности к глазу. Красная поверхность отражает преимущественно красные составляющие и поглощает значительную часть других.

1. В белом свете есть красные составляющие, которые поверхность может отразить.
2. При таком освещении отражённый свет содержит много красного, поэтому предмет выглядит красным.
3. Зелёный источник почти не даёт красного света, а падающие зелёные составляющие красная поверхность в основном поглощает.

Ответ. При белом освещении предмет выглядит красным, а при зелёном становится очень тёмным или почти чёрным. Причина в том, что от него к глазу поступает мало света.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что цвет однозначно задаётся одной длиной волны. Так думают, потому что спектральным цветам действительно соответствуют разные области длин волн, но это описание не охватывает сложные спектры. Проверка: вспомните, что одинаковое ощущение могут создавать разные наборы волн, а пурпурный не имеет одной спектральной линии.

Ошибка — переносить правила смешения света на краски. В обоих случаях говорят о смешении цветов, поэтому механизмы легко перепутать, хотя световые потоки складываются, а пигменты поглощают часть спектра. Проверка: спросите себя, добавляется ли свет к свету или из падающего света удаляются составляющие.

Ошибка — утверждать, что предмет всегда выглядит одинаково. Обычно свойства поверхности принимают за единственную причину цвета и забывают об освещении. Проверка: выясните, есть ли в спектре источника те волны, которые предмет способен отразить; без них нужный цвет не появится.

Ошибка — считать белый свет светом одной длины волны. Белое воспринимается как единый цвет, поэтому его можно ошибочно принять за простое излучение. Проверка: вспомните разложение белого света призмой и возможность получить белое ощущение при совместном действии нескольких спектральных составляющих.

Связь с другими темами

Для понимания цвета пригодятся знания о спектре: белый свет можно разложить на составляющие, а спектральные цвета связаны с разными длинами волн. Понятие цвета также опирается на строение глаза и особенности зрительного восприятия, поскольку глаз преобразует световые воздействия в сигналы, которые мозг интерпретирует.

Практическое применение темы видно в цветных фильтрах, экранах и системах цветопередачи. Экран создаёт цвета сложением световых потоков, а фильтр меняет спектр пропускаемого света. Сравнение этих устройств помогает не путать аддитивное и субтрактивное смешение.

Что запомнить

• Цвет — результат зрительного восприятия света, а не отдельная характеристика предмета.
• Спектральный цвет связан с определённой областью длин волн.
• Одинаковое цветовое ощущение может создаваться светом разного спектрального состава.
• При аддитивном смешении складываются световые потоки.
• Цвет предмета определяется тем, какие составляющие падающего света он отражает и поглощает.
• Фильтр изменяет спектральный состав проходящего света.