40. Цвет

Определения и обозначения

Цвет света — зрительное ощущение, возникающее при попадании света определённого спектрального состава в глаз. Иными словами, цвет — не только свойство источника, но и то, как зрительная система воспринимает пришедшее излучение. Это понятие помогает отличать физические характеристики света от самого ощущения цвета.

Спектральный состав света — набор длин волн, излучаемых источником, и относительная интенсивность излучения на этих длинах волн. Два источника могут казаться одного цвета, хотя распределение интенсивности по длинам волн у них различается. Понятие нужно, чтобы объяснять, почему одинаковые зрительные ощущения не всегда означают одинаковый свет.

Аддитивное смешение цветов — получение нового цвета при наложении световых пучков разных цветов. Слово «аддитивное» указывает на сложение световых воздействий: глаз воспринимает результат совместного попадания излучений. Это правило используют, например, при формировании изображения на экране.

Субтрактивное смешение цветов — изменение цвета света при поглощении отдельных частей спектра красящими веществами или фильтрами. В отличие от сложения световых пучков, здесь часть падающего излучения удаляется из спектра. Понятие помогает разобраться в действии красок и цветных фильтров.

Как это устроено

Белый свет содержит излучения разных цветов, то есть разных длин волн. Когда он проходит через призму, каждый участок спектра преломляется на свой угол: зависимость преломления от длины волны называется дисперсией. Поэтому лучи разделяются в пространстве и становятся видны как спектр. Призма не окрашивает свет, а разводит его составляющие, которые уже присутствовали в падающем пучке.

Цвет источника зависит от спектрального состава его света: глаз реагирует на набор излучений и их относительную интенсивность. При этом разные наборы длин волн могут вызывать одинаковое ощущение, поэтому белый цвет не обязательно означает одно строго определённое распределение спектра. Если вклад составляющих меняется, меняется и воспринимаемый оттенок. Значит, назвать видимый цвет полезно, но для полного описания источника нужно знать его спектральный состав.

При аддитивном смешении пучки света одновременно попадают на одну область, и их излучения совместно воздействуют на глаз. Красный и зелёный свет воспринимаются вместе как жёлтый, а зелёный с синим — как голубой. Красный с синим дают пурпурный оттенок. Если красный, зелёный и синий световые пучки сложить в равных долях, возникает белое ощущение; на этом принципе строится цветное изображение на экранах.

Предмет в отражённом свете кажется окрашенным, потому что его поверхность избирательно взаимодействует с разными длинами волн. Часть спектра она отражает, а другую часть поглощает, превращая энергию света в другие виды энергии. Глаз получает отражённую часть и воспринимает её как цвет предмета. Прозрачное тело действует сходным образом, но избирательно пропускает одни составляющие света и поглощает другие.

Фильтр пропускает только часть падающего света, а остальную часть поглощает или ослабляет. Поэтому он не создаёт излучение своего цвета: для его работы нужен свет, в котором есть пропускаемые составляющие. Вид предмета тоже зависит от освещения. Если падающий свет не содержит волн, которые поверхность могла бы отразить, отражённого света почти не будет, и предмет покажется тёмным.

Смешение световых пучков основных цветов

Таблица показывает результат наложения основных световых пучков при аддитивном смешении. Для её чтения нужно смотреть на пары цветов как на одновременно попадающие в одну область пучки. Результат относится именно к свету, а не к смешиванию красок.

Разбор задач

Задача 1. На белый экран направили одновременно красный и зелёный световые пучки. Какого цвета будет область их наложения? Нужно определить, складываются ли здесь лучи или поглощаются части спектра. Экран служит поверхностью, на которой мы наблюдаем совместное действие двух источников.

1. Устанавливаем, что на экран падают два световых пучка, а не смешиваются два красящих вещества. Значит, рассматриваем аддитивное смешение.
2. Сопоставляем цвета пучков с правилом: при наложении красного и зелёного света глаз воспринимает их как жёлтый. Белый экран рассеивает падающий свет, позволяя увидеть результат наложения в одной области.
3. Делаем вывод о цвете области, на которую одновременно попадают оба пучка. Не следует переносить сюда правила смешивания красок, потому что краски поглощают части спектра.

Ответ: область наложения будет жёлтой.

Задача 2. Белый свет проходит через красный фильтр, а затем через зелёный. Как изменится прошедший свет и почему? Каждый фильтр нужно рассматривать как устройство, которое пропускает часть спектра и ослабляет остальное. Свет после первого фильтра становится падающим светом для второго.

1. Белый свет содержит излучения разных длин волн. Красный фильтр пропускает преимущественно красную часть спектра, поэтому после него остаётся главным образом красный свет.
2. Далее проверяем, пропускает ли зелёный фильтр этот оставшийся свет. Он предназначен для пропускания зелёной части спектра и поглощает или ослабляет большую часть красного излучения.
3. После обоих фильтров свет будет очень слабым: первая пластинка почти исключила зелёный свет, а вторая ослабляет оставшийся красный. При идеальных фильтрах, не пропускающих чужие цвета, свет не пройдёт.

Ответ: прошедший свет сильно ослабнет или исчезнет, поскольку второй фильтр поглотит красный свет, оставшийся после первого.

Задача 3. Красный предмет освещают синим светом. Как он будет выглядеть? Объясните ответ через отражение и поглощение света. Чтобы решить задачу, нужно учитывать не только обычную окраску поверхности, но и спектр падающего на неё света.

1. Красный предмет при обычном освещении выглядит красным потому, что отражает красную часть спектра лучше, чем другие части. Остальные составляющие он преимущественно поглощает.
2. Синий источник освещает предмет светом, в котором нет красной составляющей или её очень мало. Поэтому предмету нечего отражать в той области спектра, которая обычно даёт красное ощущение.
3. Поверхность поглощает значительную часть синего света, а отражённого излучения к глазу приходит мало. Следовательно, предмет будет выглядеть тёмным, а не ярко-красным.

Ответ: красный предмет при освещении синим светом будет выглядеть тёмным, потому что почти не сможет отразить свет, соответствующий его обычной окраске.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что свет смешивается так же, как краски. Её допускают, потому что в обоих случаях говорят о «смешении цветов», но световые пучки складываются, а красящие вещества поглощают части спектра. Проверьте себя: если в условии речь о наложении лучей, применяйте аддитивное правило; если о красках — учитывайте поглощение.

Неверно утверждать, что предмет всегда имеет один и тот же видимый цвет. Это кажется очевидным из повседневного опыта, ведь обычно мы смотрим на вещи при привычном освещении. Но цвет зависит и от света, который падает на поверхность, и от того, какие его части она отражает. Проверка: выясните, содержит ли освещение излучение, которое предмет способен отразить.

Белый свет ошибочно принимают за свет одной длины волны. Такое представление возникает, если путать белое зрительное ощущение с монохроматическим излучением, у которого одна длина волны. Белое ощущение может возникать при совместном действии излучений разных частей спектра. Чтобы проверить себя, вспомните, что призма разделяет составляющие белого света по направлениям.

Фильтру часто приписывают способность создавать свет своего цвета. Такое объяснение кажется правдоподобным, потому что после фильтра мы видим окрашенный пучок. На самом деле фильтр обычно пропускает часть уже падающего света и поглощает остальное. Проверка: если в падающем пучке нет подходящего излучения, фильтр не сможет пропустить его и сделать свет ярким.

Связь с другими темами

Для понимания цвета нужно знать, что свет распространяется как электромагнитная волна, а длина волны связана с частотой. Разложение белого света связано с преломлением: призма направляет разные длины волн по-разному. Эти знания объясняют появление спектра и работу оптических устройств. Смешение цветов применяется в экранах и цветной печати, а также важно для понимания принципа работы оптических приборов.

Что запомнить

• Цветовое ощущение зависит от спектрального состава света.
• Белый свет содержит излучения разных цветов.
• Красный, зелёный и синий свет используют как основные цвета при аддитивном смешении.
• Равное сложение красного, зелёного и синего световых пучков даёт белый свет.
• Предмет выглядит окрашенным потому, что избирательно отражает и поглощает свет.
• Цвет предмета зависит от освещения.
• Фильтр изменяет спектр света, пропуская одни его части и поглощая другие.