§ 24. Цвет

Определения и обозначения

Цвет — зрительное ощущение, возникающее при восприятии светового излучения определённого спектрального состава. Иными словами, цвет — не только характеристика света или предмета, но и результат работы зрительной системы. Это понятие помогает отличать физические свойства излучения от того, как оно выглядит для наблюдателя.

Спектральный состав света — распределение энергии светового излучения по длинам волн. Если свет содержит волны разных длин, то в его составе есть несколько спектральных составляющих; у почти монохроматического света диапазон длин волн узок. Зная состав, можно объяснять, почему источники с одинаковой яркостью выглядят по-разному и как свет разлагается на цвета.

Аддитивное смешение цветов — получение нового цвета при сложении световых потоков разных цветов. Например, на экране отдельные красные и зелёные источники вместе создают ощущение жёлтого. Понятие нужно, чтобы понимать работу экранов и цветных прожекторов: в них именно добавляют свет, а не смешивают вещества.

Дополнительные цвета — цвета, которые при аддитивном смешении дают белый свет. Их выбирают попарно: каждый цвет дополняет другой до такого сочетания, которое зрение воспринимает как белое. Это понятие помогает описывать цветовые системы и подбирать свет для получения нужного оттенка.

Как это устроено

Видимый свет — часть электромагнитного излучения, которую способен воспринимать глаз. Разные длины волн вызывают разные цветовые ощущения, потому что свет по-разному воздействует на чувствительные к цвету рецепторы сетчатки. В вакууме длина волны λ и частота ν связаны соотношением c = λν, где c — скорость света: с ростом частоты длина волны уменьшается. Поэтому цвет излучения связан с его волновыми характеристиками, хотя ощущение цвета формируется зрительной системой.

Белый свет кажется однородным, когда его составляющие одновременно попадают в глаз, но он может содержать излучения разных длин волн. Призма преломляет волны неодинаково: показатель преломления зависит от длины волны, поэтому лучи расходятся и образуют спектр. Спектр показывает цвета видимого диапазона, однако не включает все возможные цветовые ощущения: например, пурпурные оттенки возникают при совместном действии участков спектра, а не соответствуют одной длине волны. Следовательно, спектральные цвета — лишь часть всех цветов, которые способен различить человек.

При смешении света лучи не уничтожают друг друга: их воздействия на зрение складываются. В человеческом глазу есть три типа цветочувствительных рецепторов с разной чувствительностью к длинам волн, поэтому многие цвета можно воспроизвести сочетанием трёх источников. В качестве основных для экранов используют красный, зелёный и синий свет: их пропорции позволяют создавать широкий набор ощущений, а совместное действие в подходящих соотношениях воспринимается как белое. Красный и зелёный свет вместе, например, дают ощущение жёлтого.

Краски и фильтры работают не так, как источники света. Пигмент поглощает часть падающих волн, а отражает остальные; фильтр пропускает одну часть спектра и задерживает другую. Когда краски смешивают, их пигменты вместе поглощают больше составляющих, поэтому отражённый свет обычно становится темнее. При сложении же световых потоков к уже имеющимся составляющим добавляется новый свет, и результат чаще светлеет.

Цвет тела зависит одновременно от его отражающих свойств и от спектра освещения. Поверхность не создаёт отражённые волны из ничего: она может вернуть в глаз только те составляющие, которые были в падающем свете и не поглотились материалом. Поэтому красный предмет при белом освещении отражает достаточно красных составляющих и выглядит красным, а при зелёном свете красной составляющей почти нет — предмет может казаться очень тёмным. Один и тот же предмет, таким образом, способен выглядеть по-разному при разных источниках.

Смешение цветов и цвет освещённых тел

Таблица сопоставляет три ситуации: сложение световых потоков, поглощение составляющих красками или фильтрами и отражение света предметом. Чтобы предсказать цвет, сначала определите, какой процесс происходит, а затем выясните, какие составляющие в итоге попадут в глаз. Для тела особенно важно учитывать и материал, и спектр освещения.

Разбор задач

Задача 1. На экран направлены красный и зелёный световые пучки одинаковой интенсивности. Какой цвет будет наблюдаться в области их перекрытия? Нужно выяснить, складываются ли здесь световые потоки или смешиваются пигменты. Поскольку речь идёт о лучах на экране, применяем аддитивное смешение.

1. Устанавливаем тип процесса: в общей области одновременно присутствуют два световых потока.
2. Используем правило сложения основных цветов света: красный и зелёный дают жёлтое цветовое ощущение.
3. Равная интенсивность не меняет название результата, хотя яркость и конкретный оттенок зависят от характеристик источников.

Ответ: область перекрытия будет выглядеть жёлтой.

Задача 2. Белый свет проходит последовательно через красный и зелёный светофильтры. Какая часть спектра выйдет из системы? Фильтр пропускает только часть падающего света, а остальные составляющие поглощает. Поэтому ищем не сумму цветов, а пересечение пропускаемых двумя фильтрами диапазонов.

1. После красного фильтра остаются преимущественно составляющие красной области спектра.
2. Зелёный фильтр из этого прошедшего света пропускает только составляющие, попадающие в его собственный диапазон.
3. Красная и зелёная области спектра в обычной модели не перекрываются, поэтому идеальная последовательная система не пропустит свет. У реальных фильтров возможна небольшая утечка из-за несовершенства их характеристик.

Ответ: в идеальном случае свет не выйдет; в реальности может пройти слабый свет, пропускаемый обоими фильтрами.

Задача 3. Красный предмет освещают сначала белым, затем зелёным светом. Как он будет выглядеть? Предмет сам не излучает красный свет, а отражает часть падающего на него излучения. Значит, для каждого освещения нужно проверить, есть ли в падающем свете составляющие, которые предмет способен отразить.

1. В белом свете есть широкий набор видимых составляющих, в том числе красные.
2. Красная поверхность отражает значительную часть красных составляющих и поглощает многие другие, поэтому при белом освещении предмет выглядит красным.
3. В зелёном свете красных составляющих почти нет. Поверхность поглотит большую часть имеющегося света, поэтому предмет будет выглядеть тёмным, а не ярко-красным.

Ответ: при белом свете предмет выглядит красным, при зелёном — тёмным.

Типичные ошибки

Считать цвет исключительно свойством предмета. Так думают, потому что в быту цвет обычно связывают с окраской вещи. Но глаз видит отражённый свет, поэтому результат зависит ещё и от освещения. Проверьте себя: представьте, есть ли в источнике те волны, которые предмет должен отразить.

Переносить правила смешения света на смешение красок. Красный и зелёный свет при сложении дают жёлтое ощущение, но краски не складывают световые потоки — их пигменты поглощают части спектра. Путаница возникает из-за одинаковых названий цветов. Чтобы проверить рассуждение, выясните, смешиваете ли вы излучения или вещества.

Считать, что белый свет имеет одну длину волны. Белый воспринимается как единый цвет, поэтому его легко принять за простое излучение. Однако белый свет может состоять из множества спектральных составляющих и разлагаться призмой. Проверка проста: если прибор разделяет луч на спектр, исходный свет был сложным.

Путать дополнительный цвет с основным. Основные цвета используют для построения цветовой системы, а дополнительным называют тот цвет, который вместе с данным даёт белый свет. Термины могут казаться похожими, потому что оба описывают отношения между цветами. Для проверки спросите себя, говорится ли о составе системы или о паре, создающей белое ощущение.

Связь с другими темами

Для понимания цвета нужны знания об электромагнитных волнах, частоте и длине волны, а также об отражении, поглощении и преломлении света. Эти понятия объясняют, почему свет разделяется на спектр и какие составляющие достигают глаза. Тема помогает разобраться в дисперсии, работе спектроскопа и образовании спектров. Она также применяется при изучении оптических приборов, цветного зрения, экранов, фотографии и светофильтров.

Что запомнить

• Цветовое ощущение зависит от спектрального состава света.
• Видимый свет занимает ограниченный диапазон длин волн электромагнитного излучения.
• Белый свет является сложным и может быть разложен на спектральные составляющие.
• При аддитивном смешении основными цветами считают красный, зелёный и синий.
• Дополнительные цвета при смешении светов дают белый цвет.
• Цвет тела определяется спектром падающего света и тем, какие его составляющие тело отражает или поглощает.