Закон зеркального отражения. Отражение света поверхностью
УРОК 19/ III-2 Отражение света. Законы отражения.
Отражение света. Законы отражения света.
Объяснение нового материала
Благодаря отражению света все живые организмы могут видеть окружающие предметы. Черные поверхности мы видим благодаря тому, что эти поверхности поглощают все лучи, падающие на эту поверхность, красные – отражают красные лучи, а остальные – поглощают.
Ученых давно интересовало, как происходит отражение света и законы отражения были открыты очень давно.
Проведем следующий опыт. (Демонстрируется отражение от плоского зеркала с помощью оптического диска). В результате учащиеся должны прийти к выводы, что падающий луч, отражаясь от зеркала, возвращается в туже среду. Это явление и называется отражением света.
Опытным путем устанавливаются законы отражения света.
Первый закон отражения света
Луч света направляют на поверхность зеркала так, чтобы луч лежал в плоскости зеркала. Закрывая четверть диска, где проходит световой луч, листом плотной бумаги устанавливают, что отраженный луч является видимым только тогда, когда бумага плотно прижата к диску и плоскость бумаги совпадает с плоскостью диска. В результате наблюдения учащиеся должны убедиться, что падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности отражения, проведенным из точки падения луча.
Второй закон отражения света
Передвигая источник света по краю диска, изменяют направление падающего луча. При этом каждый раз изменяется направление отраженного луча. Необходимо обратить внимание, что углы падения и отражения при этом всегда остаются равными. Для установления связи между падающим и отраженным лучами, учащиеся чертят в тетради схему опыта и записывают определения падающего луча, отраженного и их равенство между собой.
Обратимость световых лучей
Из законов отражения света вытекает, что падающий и отраженные лучи обратимы. Если в результате с опытов с оптическим диском световой луч будет падать вдоль прямой, по которой распространялся падающий луч, то после отражения он будет распространяться вдоль прямой по которой проходил падающий луч.
Это свойство называется обратимостью световых лучей.
Построение изображения в плоском зеркале
Зеркало – очень привычная вещь в жизни каждого человека. Наиболее часто используется в жизни человека плоское зеркало.
Зеркало, поверхность которого является плоской, называют плоским зеркалом.
Если перед плоским зеркалом разместить предмет, например, свечу, то кажется, что за зеркалом размещен такой же предмет, который мы называем изображением в плоском зеркале.
Известно, что человек видит светящуюся точку, если лучи, выходящие из нее, непосредственно попадаю в глаз. Лучи света (при отражении от зеркала, см. рис.) не попадают непосредственно в глаз человека. Вместе с тем,
12-Д. Отражение света
Проделаем опыт. На зеркало, лежащее на столе, поставим полуоткрытую книгу. Сверху направим пучок света так, чтобы он отражался от зеркала, но на книгу не попадал. В темноте мы увидим падающий и отраженный пучки света. Накроем теперь зеркало бумагой. В этом случае мы будем видеть падающий пучок, а отраженного пучка не будет. Выходит, что свет от бумаги не отражается?
Приглядимся к рисункам внимательнее. Заметьте, когда свет падает на зеркало, текст книги практически нельзя прочесть из-за слабого освещения. Но когда свет падает на лист бумаги, текст книги становится видимым гораздо отчетливее, особенно в нижней своей части. Следовательно, книга освещается сильнее. Но что же ее освещает?
При падении света на разные поверхности возможны два варианта. Первый. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею также в виде пучка. Такое отражение света называется зеркальным отражением. Второй. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею во всех направлениях. Такое отражение света называют рассеянным отражением или просто рассеянием света.
Зеркальное отражение возникает на очень гладких (полированных) поверхностях. Если же поверхность шероховата, то она обязательно будет рассеивть свет. Именно это мы и наблюдали, когда накрывали зеркало листом бумаги. Она отражала свет, рассеивая его по всевозможным направлениям, в том числе и на книгу, освещая ее.
ражающей поверхности в точке излома луча (угол b).
При отражении света всегда выполняются две закономерности: Первая. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности в точке излома луча всегда лежат в одной плоскости. Вторая. Угол падения равен углу отражения. Эти два утверждения выражают суть закона отражения света.
На левом рисунке лучи и перпендикуляр к зеркалу не лежат в одной плоскости. На правом рисунке угол отражения не равен углу падения. Поэтому такое отражение лучей нельзя получить на опыте.
Закон отражения является справедливым как для случая зеркального, так и для случая рассеянного отражения света. Обратимся еще раз к чертежам на предыдущей странице. Несмотря на кажущуюся беспорядочность в отражении лучей на правом чертеже, все они расположены так, что углы отражения равны углам падения. Взгляните, шероховатую поверхность правого чертежа мы "разрезали" на отдельные элементы и провели перпендикуляры в точках излома лучей:
Решение качественных задач
Угол между падающим лучом и зеркальной поверхностью составляет 50 0 . Чему равен угол падения, угол отражения, угол между падающим и отраженными лучами. Во сколько раз угол между падающим и отраженными лучами больше, чем угол падения? (Ответ: 40 0 , 40 0 , 80 0 , в два раза).
Чему равен угол падения, если световой луч падает перпендикулярно к зеркальной поверхности? (Ответ: 0 0).
Угол падения увеличился на 20 0 . На сколько увеличится угол между падающи и отраженными лучами? (Ответ: 40 0).
Угал падения вдвое больше, чем угол между отраженным лучом и зеркальном поверхностью. Чему равен угол падения? (Ответ: 30 0).
ПРОВЕРЬ СЕБЯ - Закрепление нового материала
Сформулируйте закон отражения света.
В чем заключается закон явления отражения света?
Какой угол называется углом падения; отражения?
Какое свойство падающего и отраженного луча называют обратимым?
Почему иногда днем окна домов нам кажутся темными, а иногда – светлыми?
Какими темными или светлыми мы видим дорогу и лужи на ней, если ночью при отсутствии внешнего освещения включить фары автомобиля?
ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА. (записать в тетрадь)
|
1.Что происходит при падении световых лучей при попадании на границу раздела двух сред? |
||
|
Попадая на границу раздела двух сред свет частично возвращается в первую среду (т.е. отражается) и частично проникает во вторую среду, меняя при этом направление своего распространения (т.е. преломляется). |
||
|
2.Что называют отражением? |
||
|
Явление, при котором свет, попадая на границу раздела двух сред, возвращается в первую среду, называется отражением. -это угол падения, т.е. угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча. -это угол отражения, т.е. угол между перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча и отраженным лучом. |
Графическое изображение явления отражения: перпендикуляр падающий отраженный луч луч граница раздела двух сред |
|
|
3.Законы отражения. |
||
|
1.Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точку падения луча. Этот закон позволяет строить изображения при помощи световых лучей в плоскости листа. 2.Угол падения луча равен углу отражения . Этот закон указывает на то, что световые лучи обратимы. |
|
|
|
4.Виды отражения. |
||
|
1.зеркальное - т.е. отражение от поверхности, размеры шероховатостей которой меньше длины световой волны. Если свет отражается от зеркальной поверхности, то лучи, падающие параллельно, остаются параллельными и при отражении. Зеркальных поверхностей очень много – тихая водная гладь озера, стекло, полированная мебель и т. п. Самые известные и широко применяемые зеркальные поверхности – это зеркала. |
|
|
|
2. диффузное (рассеянное) отражение, т.е. отражение от поверхности, размеры шероховатостей у которой сравнимы с длиной волны источника света. Если свет отражается от шероховатой поверхности, то лучи, падающие параллельно, при отражении уже не будут параллельными. Диффузное отражение заставляет каждый участок поверхности действовать подобно точечному излучателю, мы можем видеть освещаемые тела под любыми углами. Кроме этого, отраженный свет даёт нам информацию о поверхности тела. нам информацию о поверхности тела. |
|
|
|
5.Построение изображения светящейся точки в плоском зеркале . |
||
|
Плоское зеркало – это плоская отражающая поверхность . Для построения изображения светящейся точки в плоском зеркале из множества лучей, исходящих от неё, обычно выделяют только два. 1)Это луч, перпендикулярный зеркалу (он отразится в обратном направлении), и 2) луч, падающий под углом (он отразится под таким же углом). Продолжения отраженных лучей (изображенных пунктиром) пересекаются в точке S | , которая является изображением светящейся точки S. Поэтому для нахождения изображения источника света S достаточно опустить на зеркало или на его продолжение из точки, где находится источник света, перпендикуляр и продолжить его на расстояние OS = OS 1 за зеркало. |
|
|
|
6.Построение изображения предмета в плоском зеркале |
||
|
Для построения изображения предметы в плоском зеркале применяют те же приёмы, только строят изображения крайних точек предмета(см рис). Нужно помнить, что плоское зеркало даёт мнимое, прямое и равное по размеру изображение, которое расположено на таком же расстоянии от зеркала, что и предмет, т. е. изображение симметрично самому предмету. |
|
|
|
Примечание: Если два плоских зеркала расположены под углом друг к другу, то количество изображений предметов (обозначим их N) зависит от угла между ними. Количество изображений находят по формуле: N = , где φ - угол между зеркалами. |
||
|
7.Типичная задача на построение и анализ изображения предмета в плоском зеркале. |
||
|
Перечерти рисунок и ответь на следующие вопросы: 1. На каком расстоянии расположен глаз? Масштаб: в 1 клеточке – 10 см. 2.Построй изображение предмета (стрелки) в плоском зеркале. 3.Покажи зону видения в этом зеркале. 4.Какова видимая часть изображения? Для этого проведи луч через глаз наблюдателя и край зеркала. Зарисуй красным цветом видимую часть. 5. Где нужно расположить глаз наблюдателя, чтобы изображение стрелки было видно полностью? |
|
|
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА
(выполнить задания:
с 1 по 16 записать только ответ,
Лучи, падающие на поверхность, могут отражаться от нее, проходить насквозь или поглощаться. В зависимости от этого различают поверхности блестящие и матовые, прозрачные и непрозрачные, черные и белые. Поверхность, которая поглощает значительно большее количество световых лучей, чем отражает и «пропускает», воспринимается как черная, а та, которая большую часть падающего на нее света отражает, видится нам белой. Если же большинство световых лучей беспрепятственно проходят через слой вещества, то оно будет прозрачным.
Отражение световых лучей от поверхности подчиняется хорошо известному закону, открытому И. Ньютоном, - угол падения луча равен углу отражения независимо от природы материала и длины световой волны. Если световой поток, состоящий из параллельных лучей, падает на гладкую поверхность, то отраженный поток будет также состоять из параллельных лучей и казаться как бы выходящим из этой поверхности. Поверхность, отражающая таким образом свет, называется блестящей. Если поток такого света попадает в глаз наблюдателя, то поверхность, которая его отражает, оказывается невидимой. В таких случаях говорят: «она блестит». С этим явлением мы постоянно сталкиваемся в музеях и на выставках, когда застекленная картина со многих точек зрения блестит или отсвечивает, и бывает трудно найти точку зрения, с которой она становится хорошо видимой.
Тела, имеющие шероховатую поверхность, отражают свет согласно тому же закону, что и блестящие. Однако по той причине, что поверхность таких тел состоит из расположенных под разными углами микроскопических поверхностей, свет отражается от нее в разных направлениях, происходит диффузное отражение или рассеивание света. Такие поверхности с разных точек зрения кажутся одинаковыми по светлоте, не имеют бликов и называются матовыми. Но нужно иметь в виду, что различные материалы отражают свет по-разному. Например, стекло, пластмассы, вода обладают так называемым зеркальным отражением, а металлы дают более мягкое отражение, даже будучи отполированными.
Некоторые поверхности не отражают и не пропускают света, а излучают его - как, например, поверхность раскаленного металла. Такие поверхности всегда будут превосходить по яркости поверхности, отражающие свет. Индивидуальные особенности сочетания рассеивания и прямого отражения света данной поверхностью определяют ее характер, «фактуру», позволяют отличать гипс от мрамора, белила масляные от гуашевых. Мы даже различаем предметы одним только зрением по характеру их поверхности, по сочетанию бликов и теней, образующих матовую, полуматовую или глянцевую поверхность. Мы различаем блеск на поверхности предмета и говорим о блеске металлическом, алмазном, стеклянном, фарфоровом; мы производим это различение по каким-то едва уловимым признакам, словесно не определяемым. В живописи передача качеств поверхности предмета наряду с их цветом, освещением, формой и положением в пространстве является одной из важнейших задач.
Ахроматические цвета
Белый свет с точки зрения физики представляет собой световой поток, состоящий из волн различной длины. Различные поверхности встречают падающие на них лучи света с неодинаковым «гостеприимством»: одни
поверхности, например, поглощают коротковолновые и отражают длинноволновые лучи, другие - наоборот. При таком избирательном поглощении световых лучей поверхность, как мы говорим, получает определенную окраску, цвет. Но есть поверхности, которые более или менее равномерно поглощают и отражают лучи всех длин волн. Такое неизбирательное поглощение создает так называемые серые поверхности. Чем больше будет поверхность неизбирательной, то есть безразлично к длине волн, отражать световых лучей, тем она будет белее, и, наоборот, чем меньше, тем чернее. Поверхности, равномерно отражающие лучи всех длин волны, называются ахроматическими. Ахроматические цвета обладают только одной характеристикой - светлотой, которая в основном определяется количеством отраженного от поверхности света.
В зависимости от освещения и способности поверхности отражать свет в том или ином количестве можно составить постепенный ряд ахроматических тонов, начиная от белого и кончая черным. Парадоксальность самого названия «ахроматический цвет», то есть «бесцветный цвет», еще раз указывает на неразделимую связь между светом и цветом. И действительно, с одной стороны, черное, белое, серое можно рассматривать как нечто противоположное цвету, всему цветному, а с другой - мы располагаем черную и белую краски в ряду других красок и, следовательно, нет оснований не считать их также цветом, как и другие. Для живописца белый, серый, черный есть такие же цвета, как и желтый, синий и т. д., ибо они используются в группе других цветов как равноправные элементы цветовой гармонии и колорита. При всем том разделение цветов на хроматические и ахроматические практически необходимо. Расположенные в порядке убывающей светлоты, ахроматические цвета образуют ряд, в котором можно выделить пять основных относительно определенных ступеней, - это черные, темно-серые, серые, светло-серые и белые. Для научных целей ахроматический ряд принимается значительно более дифференцированным. В атласе цветов Оствальда он состоит, например, из 16 градаций, у Менселла - из 29, у Теплова - из 24. Степень светлоты ахроматического тона трудно выразить абсолютно. Мы довольно легко можем из двух предметов выбрать более светлый или более темный, но отметить, насколько он темнее, мы не можем. Поэтому светлоту измеряют посредством единиц, отмечающих равенство или неравенство двух яркостей.
Диапазон светлот от белого до черного в натуре в тысячи раз превышает диапазон светлот между черной и белой красками в условиях освещения мастерской. Это с полной очевидностью показывает, что отношения яркостей в натуре не могут быть перенесены на холст в их абсолютных величинах, а требуют своего рода перевода, что давно замечено художниками. В ряде классических произведений мировой живописи мы видим удивительные эффекты освещения, поражающие своей правдивостью. Пути этого перевода многообразны и пока не укладываются ни в какие формулы даже в творчестве тех художников, лозунгом которых была наибольшая близость к натуре.
Яркость и светлота
В обиходном понимании разница между яркостью и светлотой обычно не замечается, и оба понятия рассматриваются почти как эквивалентные. Однако можно заметить некоторое различие в употреблении этих слов, которое отражает и различие этих двух феноменов. Как правило, слово «яркость» употребляют для характеристики особенно светлых поверхностей, сильно освещенных и отражающих большое количество света. Так, например, об освещенном солнцем листе бумаги или снеге говорят как о ярких поверхностях, а о стенах комнаты как о светлых. Слово «яркость» также нередко служит для характеристики цвета, причем имеются в виду такие качества последнего, как насыщенность или чистота. Наконец, слово «яркость» преимущественно используется для оценки источников света.
В естественнонаучной теории цвета различие между терминами «яркость» и «светлота» достаточно определенно. Яркость - понятие физическое, величина которого характеризуется количеством света, попадающего в глаз среднего наблюдателя от поверхности, излучающей или отражающей свет. Светлота же - это ощущение яркости, в котором важную роль играют конкретные условия индивидуального восприятия; это понятие, относящееся прежде всего к компетенции психологии. Одна и та же физическая, объективная яркость может вызывать различные ощущения светлоты, и, наоборот, одна и та же светлота может соответствовать различным степеням яркости.
Живописец имеет дело, скорее всего, непосредственно со светлотой, а не с яркостью. В работе и живописца и рисовальщика способность к убедительной и художественно выразительной передаче светлотных и цветовых отношений во многом зависит от чувствительности глаза, которая непостоянна и способна изменяться под действием внешних и внутренних стимулов. Глаз реагирует не на всякое раздражение, а только на такое, которое достигло определенной величины. Эту минимальную разницу между двумя степенями яркости, которую способен замечать глаз, психологи называют порогом чувствительности. Для того чтобы заметить в натуре и выразить затем в материале тончайшие нюансы света и цвета, глаз художника должен обладать достаточно высокой чувствительностью, которая дается от природы и развивается в процессе обучения.
Пороговая чувствительность изменяется при переходе от одних условий освещения к другим. При резком изменении условий освещения на некоторое время она значительно понижается, а затем, по мере того как глаз приспосабливается к новым условиям, начинает повышаться. Каждому хорошо известно, что если в яркий солнечный день войти с улицы в слабо освещенную комнату, то какое-то время глаз не способен почти ничего различить в ней и лишь постепенно начинает видеть предметы, находящиеся в помещении. Работая на пленэре в яркий солнечный день, легко впасть в ошибку и сильно высветлить, разбелить этюд, потому что в процессе работы глаз привыкает к повышенной яркости. И, наоборот, можно очень сильно напутать в светлотных и цветовых отношениях при слабом освещении. Здесь следует иметь в виду, что при слабом освещении, кроме того, что глаз приспосабливается к пониженной освещенности, изменяются также и цветовые тона и их насыщенность: синие при естественном вечернем освещении кажутся более яркими, красные, желтые - менее насыщенными, более белесоватыми, а при больших яркостях - желтоватыми.
Понижение чувствительности глаза, наоборот, заметно сказывается при его адаптации к сильно освещенной картинной плоскости. Приспосабливаясь к яркому свету, глаз воспринимает все цвета значительно разбеленными, и в стремлении сделать их более насыщенными художник неизменно приходит к фальши, несогласованности и пестроте. Только опыт позволяет художнику избегать подобных ошибок.
Белизна
В научном цветоведении для оценки светлотных качеств поверхности пользуются также термином «белизна», который, на наш взгляд, имеет особо важное значение для практики и теории живописи. Термин «белизна» по своему содержанию близок понятиям «яркость» и «светлота», однако, в отличие от последних, он содержит оттенок качественной характеристики и даже в какой-то мере эстетической.
Что же такое белизна? Р. Ивенс объясняет это понятие следующим образом: «Если светлота характеризует восприятие яркости, то белизна характеризует восприятие отражательной способности». Чем больше поверхность отражает падающего на нее света, тем она будет белее, и теоретически идеально белой поверхностью следует считать поверхность, отражающую все падающие на нее лучи; однако практически таких поверхностей не существует, так же как и не существует поверхностей, которые полностью поглощали бы падающий на них свет. Практически мы называем белыми поверхности, отражающие различную долю света. Например, меловой грунт мы оцениваем как белый грунт, но стоит на нем выкрасить квадрат цинковыми белилами, как он утратит свою белизну. Если же внутри затем закрасить квадрат белилами, имеющими еще большую отражательную способность, например баритовыми, то первый квадрат также частично утратит свою белизну, хотя все три поверхности мы практически будем считать белыми. Выходит, что понятие «белизна» относительно, но в то же время имеется какой-то рубеж, с которого воспринимаемую поверхность мы начинаем считать уже не белой.
Понятие белизны можно выразить математически. Отношение светового потока, отраженного поверхностью, к потоку, падающему на нее (в процентах), носит название «альбедо» (от лат. albus - белый). Это отношение для данной поверхности в основном сохраняется при различных условиях освещенности, и поэтому белизна является более постоянным качеством поверхности, нежели светлота. Для белых поверхностей альбедо будет равняться 80-95%. Белизна различных белых веществ, таким образом, может быть выражена через их отражательную способность. В. Оствальд дает следующую таблицу белизны различных белых материалов:
Сернокислый барий (баритовые белила) – 99%
Цинковые белила – 94%
Свинцовые белила – 93%
Гипс – 90%
Свежий снег – 90%
Бумага – 86%
Тело, которое совершенно не отражает света, в физике называется абсолютно черным телом. Но самая черная видимая нами поверхность не будет с физической точки зрения абсолютно черной. Поскольку она видима, то отражает хоть какую-то долю света и, таким образом, содержит хотя бы ничтожный процент белизны - так же как поверхность, приближающаяся к идеально белой, можно сказать, содержит хотя бы ничтожный процент черноты. Практически черной мы считаем такую поверхность, при восприятии которой неразличимы детали из-за недостаточности физического стимула. Белое и серое в натуре обладает поверхностными качествами, причем серое, чем оно темнее - в меньшей степени. Черное лишено этих качеств. Ивенс следующим образом определяет различие между белым, серым и черным: «Белое - это феномен, относящийся полностью к восприятию поверхности; серое - восприятие относительной светлоты поверхности, а черное - положительное восприятие недостаточности стимула для обеспечения должного уровня зрения».
В практике живописи понятие черного цвета также весьма относительно. Самое черное пятно в живописи обладает некоторой белизной и цветовым тоном. Различные черные краски, которые можно принять за предельную черноту, оказываются такими только при изолированном восприятии - при сопоставлении же их друг с другом они, кроме того, всегда обнаруживают различные цветовые оттенки. Ван Гог, например, насчитывал у Франса Хальса до 27 различных черных цветов. С чисто ахроматическим черным мы почти никогда не встречаемся. Цвет черной краски и является для художника эталоном черного, а опыт, приобретенный им в восприятии, дает возможность с этой чернотой соотносить все прочие тона.
Постоянство белизны
Понятие белизны имеет отношение к проблеме так называемой константности восприятия, имеющей вообще исключительно важное значение для теории изобразительного искусства, и художественно-педагогической практики в частности. Явление константности, говоря схематически, сводится к тому, что, несмотря на непостоянство и изменчивость получаемых сетчаткой световых сигналов, в восприятии мы получаем более или менее постоянный образ, соответствующий реальному объекту. Лист белой бумаги мы будем воспринимать как белый и в слабо освещенной комнате, и на солнечном свету, и при электрическом освещении, несмотря на то, что фактически он будет иметь различную степень светлоты. Так же обстоит дело и в отношении черной поверхности. Белая бумага в затемненной комнате отражает меньше света, чем черная на ярком солнечном свету; но мы не путаем черную бумагу с белой.
Для художника, таким образом, вопрос сводится к расчленению в восприятии светлоты или белизны поверхности и ее освещенности в данный момент. Если предложить написать лист белой бумаги, находящийся в тени, начинающему, то он напишет его чистыми белилами, так же как черную поверхность - черной краской. Но допустим, что перед художником стоит задача передать белизну поверхности такой, какой она представляется ему в действительности. Это возможно лишь в том случае, если он передаст ее кажущуюся светлоту. Для белой поверхности в тени и черной на свету художник берет серые тона, однако на картине они будут восприниматься как белая и черная поверхности. Здесь решающую роль играют так называемые отношения, то есть весь контекст изображения, контрасты и ряд других моментов, о которых речь пойдет ниже. Таким образом, видя аконстантно, живописец дает зрителю возможность константного восприятия белизны.
Степень постоянства восприятия белизны для белых и черных поверхностей неодинакова. Более выражено постоянство восприятия белых поверхностей; оно снижается для серых тонов - иначе говоря, чем выше отражательная способность поверхности, тем заметнее будет постоянство ее белизны; чем отражательная способность меньше, тем менее эффективно это постоянство. Эффект постоянства светлоты наиболее заметен в привычных условиях восприятия. Мы не замечаем изменения белизны листа бумаги в комнате с обычной освещенностью. На возникновение эффекта постоянства белизны большое влияние оказывает также наш практический опыт. Например, снег, хорошо известный нам по опыту как белый, в самых различных условиях освещения будет восприниматься белым. Синие тени на снегу представляются нам не синим снегом, а белым, находящимся в тени, окрашенным синим светом. Есть некоторая аналогия между постоянством восприятия белизны и постоянством восприятия величины предмета - мы не замечаем, например, перспективных изменений видимых размеров предметов, когда они находятся далеко от нас, и ясно видим уменьшение их на больших расстояниях.
Зрительная оценка белизны поверхности зависит, таким образом, от количества света, отражаемого поверхностью, и от установки восприятия. К этому вопросу мы еще вернемся в связи с восприятием цвета и при рассмотрении световых и цветовых отношений в системе изображения.
Свет и форма предмета
Хорошо известно, сколь значительна роль света в восприятии формы объекта. Поверхность и объем - факторы, независимые от освещения в том лишь смысле, что мы воспринимаем их при любом освещении. Вид предмета можно характеризовать целым рядом признаков, которые являются переменными, зависимыми от условий освещения. К этим признакам относятся светлота, цветовой тон и его насыщенность, фактура, форма. Интересно, что изменение одной из этих характеристик ведет к изменению и других - например, изменение освещенности влечет за собой изменение светлоты поверхности, а с нею вместе меняется и ее цвет. Таким образом, ни одна из этих характеристик не будет, в сущности, независимой, что имеет особо важное значение для проблемы цельности восприятия и цельности изображения.
Восприятие же всегда в первую очередь направлено на форму, а не на освещение. Это преобладание настолько сильно, что нетренированным наблюдателем оно, как правило, не замечается, и требуется известное усилие для того, чтобы воспринимать изменение интенсивности освещения на поверхности прежде, чем саму форму.
Естественную светотень можно представить состоящей как бы из двух слоев: из светлоты, присущей данной поверхности, и света, который «наслаивается» на нее. Мы уже говорили выше, что такова была традиция понимания света в живописи довольно длительное время. Этой давней традиции понимания светотени как чего-то внешнего по отношению к собственной светлоте и цвету предмета соответствует в художественной практике понимание светлоты предмета как состоящей из локального цвета и светотени, возникающей при освещении. Именно так понимали сетотень в эпоху раннего Возрождения. С этим связана и другая особенность - восприятие светлоты как прозрачности. В естественных условиях возможна ситуация, при которой предметы или поверхности просматриваются через какой-то другой предмет и между глазом и наблюдаемой поверхностью тем самым создается какая-то среда, ослабляющая светлоту рассматриваемой поверхности, - например, если смотреть на предмет через тюлевую занавеску или на пейзаж через пелену тумана. В этих случаях мы отчетливо представляем себе ослабленной светлоту рассматриваемых предметов благодаря влиянию лежащего поверх них слоя. В живописи этому слою соответствуют лессировки, которые можно рассматривать как некую прозрачную среду, накладываемую на локальный цвет предмета.
Однако в действительности мы имеем просто серое пятно, которое практически ничем не будет отличаться и от пятна краски, полученного в результате механического смешения, и при восприятии такого пятна никакого разделения или расслоения не происходит, если мы локализуем внимание лишь на нем самом. Возьмем для примера самое простое изображение: темная вертикальная полоса, которую пересекает более светлая и относительно прозрачная горизонтальная полоса, так что вертикальная полоса просматривается через нее. Такое изображение можно воспринимать по-разному: или как две полосы, различно ориентированные и положенные друг на друга, или как пять квадратов, расположенных в одной плоскости. Конечно, глаз будет воспринимать данную ситуацию как две полосы, и, таким образом, светотень окажется расщепленной на два пространственных слоя.
Рис. 6. Эффект прозрачности достигается различием в тоне
Р. Арнхейм объясняет это своим универсальным принципом простоты, к которому всегда стремится зрительное восприятие: восприятие двух пересекающихся полос, положенных друг на друга, проще и понятнее, нежели сочетание нескольких элементов в одной плоскости. Но здесь возможно и другое объяснение этому явлению: зрительное восприятие стремится к известной законченности, пытается найти органическую связь между отдельными элементами изображения.
В живописном произведении этот эффект прозрачности, как мы его на-зовем, возникает лишь благодаря найденным цветовым и светлотным от-ношениям. Если мы будем смотреть только на вуаль, то мы ничего, кроме серой поверхности, не увидим, если же мы смотрим одновременно на вуаль и участок тела, не закрытый вуалью, то четко воспринимаем прозрачность ткани и находящуюся за ней поверхность.
Светотень и перспектива
Леонардо да Винчи говорил о наличии «трех перспектив, то есть уменьшения фигур тел, уменьшения их величин и уменьшения их цветов. Далее, - говорит он, - из этих трех перспектив первая происходит от глаза, а две другие произведены воздухом, находящимся между глазом и предметом, видимым этим глазом»
По современной терминологии, речь идет здесь о линейной, воздушной и цветовой перспективах, между которыми имеется такая же связь, как между формой предмета, его цветом и светотенью, ибо каждая из них объясняет закономерности пространственного изменения этих основных признаков предметной формы. О цветовой перспективе мы будем говорить ниже, здесь же отметим лишь взаимосвязь линейной и воздушной перспектив. Основной закон этой связи сводится к тому, что по мере удаления от нас предметы теряют резкость своих очертаний и изменяют свою светлоту. При этом темные предметы по мере удаления становятся светлее, а светлые, наоборот, темнее.
Воздушная перспектива, особенно выдающуюся роль играла в пейзаже, где она служит очень важным средством выражения пространственной глубины. Но не во все эпохи она пользовалась уважением со стороны художников и теоретиков. Шеллинг, например, так писал о воздушной перспективе: «...такая картина, где соблюдена воздушная перспектива, будет менее напоминать нам, что созерцаемое нами есть произведение искусства, чем та, где этого нет; но если сделать этот принцип всеобщим, искусства вообще не было бы, а коль скоро он не может быть всеобщим, то иллюзия, то есть отождествление истины с видимостью вплоть до чувственной истины, вообще не может быть целью искусства. Так и древние - по всему тому, что мы о них знаем, - не соблюдали воздушной перспективы. Точно так же не соблюдали ее и художники XIV и XV столетий, например Пьетро Перуджино, учитель Рафаэля (картины в Дрездене). Да и в картинах Рафаэля воздушная перспектива соблюдается только отчасти».
Читая эти строки, нужно иметь в виду, что до эпохи Возрождения живопись не применяла, в сущности, светотени и линейной перспективы, и, возможно, не только потому, что это не соответствовало эстетическим концепциям того времени, а также и потому, что художники о них не знали.
С точки зрения развития самого метода изображения открытие законов перспективы и, в частности, воздушной перспективы было прогрессом, который нисколько не помешал, как это иногда пытаются утверждать и некоторые современные теоретики, развитию искусства. В эпоху позднего Возрождения и позже были созданы многие выдающиеся произведения, неотъемлемым элементом художественной формы которых являются центральная перспектива, воздушная перспектива и светотень.
Все живое стремится к цвету.
И.В. Гете. Учение о цветах.
Спектральные цвета
Если для художника, как мы уже говорили, белое и черное представляют собой цвета, то с физической точки зрения это не совсем так. Леонардо да Винчи в какой-то степени предвосхитил позднейшее открытие, когда заявлял: «Белое не есть цвет, но оно в состоянии воспринять любой цвет» Великому английскому физику Исааку Ньютону экспериментально удалось доказать, что белый солнечный свет представляет собой смесь разнообразных цветов. И сегодня каждый школьник знает, что если узкий луч солнечного света пропустить через трехгранную призму, то на экране, расположенном позади нее, возникает удивительно красивый световой эффект - последовательный ряд ярких цветов, аналогичный тому, который каждому приходилось наблюдать в природном явлении радуги.
Увлеченный поисками аналогии между цветом и звуком, Ньютон разделил полученный им спектр на семь частей соответственно семи тонам музыкальной диатонической гаммы и обозначил их словами: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Такое разделение спектра было в значительной степени условным и случайным, ибо можно выделить и большее и меньшее число его частей, так как цвета спектра не имеют четких границ, а постепенно переходят один в другой. Так, например, между красным и оранжевым можно выделить красно-оранжевый, между желтым и зеленым - желто-зеленый или салатовый и другие. Более соответствовало бы действительному составу спектра разделение его на 6 частей. В качестве седьмого Ньютон выделил индиго, который правильнее было бы считать лишь разновидностью синего. Ньютон одновременно обнаружил, что белый свет состоит из световых лучей, которые неодинаково преломляются, проходя через одну и ту же среду, и что этой физической неоднородности лучей соответствует и разница ощущений цвета, которые они вызывают, попадая в глаз человека. Он обратил также внимание и на то, что каждый из этих цветов занимает в спектре различный по ширине участок.
Опыты Ньютона имели важное значение для развития научных взглядов на природу вообще и на природу цвета в частности. Они дали объективную основу для решения некоторых проблем теории цвета в живописи - например, теории взаимодополнительных цветов, теории оптического смешивания красок. Таким образом, в области, казавшейся субъективной и не поддающейся никакому упорядочению, открылась дорога для строгого научного анализа.
Согласно современным воззрениям, спектр образуется потоком лучей света с разной длиной световой волны. Если поток состоит из лучей, имеющих одну и ту же длину волны, он называется монохроматическим. Теоретически световой поток, состоящий, допустим, из лучей, имеющих длину волны в 637 нм, вызывает иное ощущение цвета, чем поток из лучей в 638 нм. Однако глаз не реагирует на столь незначительные изменения в волновом составе излучения, и практически монохроматическим потоком можно считать и такой, который содержит различные волны в пределах примерно ±10 нм.
Излучению, состоящему из волн одной лишь длины или из волн, образующих очень узкий участок спектра, соответствует определенный полно-насыщенный спектральный цвет. С таким спектральным цветом в повседневной действительности нам, однако, дела иметь почти не приходится; обычно глаз получает потоки смешанного состава, состоящие из волн различной длины.
Таблица 1.
а) Непрерывный спектр;
б) Условное разделение спектра на семь цветов (по Ньютону)
Увлеченный поисками аналогии между цветом и звуком, Ньютон разделил полученный им спектр на семь частей соответственно семи тонам музыкальной диатонической гаммы и обозначил их словами: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Такое разделение спектра было в значительной степени условным и случайным, ибо можно выделить и большее и меньшее число его частей.
Каждое цветовое пятно в картине может иметь различную светлоту, окраску, чистоту, определяемые в цветоведенни, как уже отмечалось, терминами «светлота», «цветовой тон», «насыщенность». Для теории цвета, как естественнонаучной, так и художественной, эти понятия имеют исключительно важное значение, так как они являются основой систематизации всего богатства цветовых явлений в природе и в искусстве. Без этих характеристик невозможно обойтись и при уяснении таких фундаментальных понятий теории живописи, как «цветовая гармония», «колорит», «живописность».
Таблица 2.
а) Изменения по цветовому тону (и светлоте);
б) изменения по светлоте (и насыщенности);
в) изменения по насыщенности (и светлоте)
Ощущение «красного» или «синего» цвета в этом случае определяется лишь преобладанием в потоке лучей с соответствующей длиной волны; помимо них световой поток будет содержать и лучи других длин волн, другого «цвета», только в меньшем количестве. Чем более будут преобладать лучи какой-либо одной определенной длины волны, тем чище будет цвет; и наоборот - чем это преобладание будет меньше, тем более он будет грязным и тусклым. При определенной смеси лучей всего спектра, то есть всех длин волн, мы получим белый или серый цвет. Наблюдения показывают, что потоки разного волнового состава могут вызывать ощущения одинакового цвета, и поверхности, кажущиеся одинаковыми по окраске, могут отражать потоки неодинакового волнового состава. Это явление можно объяснить закономерностями оптического смешения цветов, о котором речь пойдет ниже.
Отражение световых лучей от поверхности подчиняется закону, открытому Ньютоном: угол падения луча равен углу отражения независимо от природы материала и длины световой волны. Падающий световой поток, состоящий из параллельных лучей, отражаясь от гладкой поверхности, тоже будет состоять из параллельных лучей и казаться как бы исходящим от этой поверхности. Поверхность, отражающая таким образом свет, называется блестящей.
Шероховатые тела отражают по такому же закону, что и блестящие. Однако их поверхность состоит из множества мелких поверхностей, расположенных под разными углами, свет, отражаясь от них в разных направлениях, рассеивается. Это ещё называется диффузным рассеянием света. Такие поверхности с разных точек зрения кажутся одинаковыми по светлоте, не имеют бликов и называются матовыми.
Индивидуальные способности поверхности сочетать рассеивание и прямое отражение света определяют её характер, фактуру. Мы можем сказать: металлический, алмазный, стеклянный, фарфоровый и т.д. блеск, разделяя их по едва уловимым признакам, которые почти не поддаются словесному определению.
Ахроматические цвета
Белый свет с точки зрения физики представляет собой световой поток, состоящий из волн различной длины. Разные поверхности встречают падающие на них лучи света с разной степенью «гостеприимства»: одни поверхности, например, поглощают коротковолновые и отражают длинноволновые лучи, другие – наоборот. При таком избирательном поглощении световых лучей поверхность приобретает определённую окраску, цвет. Но есть поверхности, которые более или менее равномерно поглощают и отражают лучи всех длин волн. Такое неизбирательное поглощение создаёт серые поверхности. Чем более неизбирательна поверхность, т.е. безразлично к длине волны будет больше отражать световых лучей, тем она будет белее, и наоборот, чем меньше, тем чернее.
Поверхности, равномерно отражающие лучи всех длин волн, называются ахроматическими. Они обладают только одной характеристикой – светлотой, которая в основном определяется количеством отражённого поверхностью света и составляют постепенный ряд ахроматических тонов – от белого до чёрного. Парадоксальность названия «бесцветный» цвет ещё раз указывает на неразрывность цвета и света.
Мы довольно легко можем выбрать между предметами более или менее тёмный, но отметить, насколько один темнее другого, мы не можем. Поэтому светлоту измеряют посредством единиц, отмечающих равенство или неравенство яркостей.
Яркость и светлота
В быту эти понятия не различаются. Как правило, слово яркость употребляют для характеристики особенно светлых поверхностей, сильно освещённых и отражающих большое количество света. Слово яркость также часто служит характеристикой цвета, причём имеется в виду его насыщенность и чистота. И ещё яркость используется для определения или оценки источника света.
В цветоведении различие между этими терминами достаточно определено. Яркость – понятие физическое. Величина яркости характеризуется количеством света, попадающего в глаз наблюдателя от поверхности, излучающей или отражающей свет. Светлота же – это ощущение яркости, в котором важную роль играют конкретные условия восприятия, это понятие, относящееся, прежде всего к компетенции психологии. Одна и та же физическая, объективная яркость может вызвать различные ощущения светлоты, и, наоборот, одна и та же светлота может соответствовать различным степеням яркости.
Пороговая чувствительность легко меняется при переходе от одних условий освещённости к другим. При резком изменении освещения на некоторое время она значительно понижается, а затем, по мере привыкания глаза, начинает повышаться. Можно легко напутать с цветом и светлотой, работая при ярком или, наоборот, тусклом освещении или на солнечном свете. (Синие цвета при естественном вечернем освещении кажутся более яркими, красные и жёлтые – менее насыщенными, белесоватыми, а при больших яркостях – желтоватыми.)
Белизна
Термин «белизна» по своему содержанию близок понятиям яркость и светлота, однако, в отличие от них, он содержит оттенок качественной и даже в какой-то мере эстетической характеристики. Что такое белизна? Если светлота характеризует восприятие яркости, то белизна характеризует восприятие отражательной способности. Чем больше поверхность отражает падающего света, тем она будет белее. Теоретически это поверхность, отражающая все падающие на нее лучи, однако на практике таких поверхностей не существует. В живописи, например, белизну выражают математически: баритовые белила – 99%, цинковые белила – 94%, бумага – 86%, мел – 84%. Мы же будем говорить о белизне кожи лица или белизне белков глаз, что вообще не поддаётся никаким подсчётам, но имеет огромное значение в подборе цветов одежды, макияжа и оттенков волос.
Тело, которое совершенно не отражает свет, называют абсолютно чёрным. Но это тоже теоретическое понятие. Поскольку чернота видна, значит, отражает хоть какую-то толику света.
Художник Ивенс следующим образом определял различие между белым, серым и чёрным: «Белое – это феномен, относящийся полностью к восприятию поверхности, серое – восприятие относительной светлоты поверхности, чёрное – положительное восприятие недостаточности стимула для обеспечения должного уровня зрения».
На практике ахроматические цвета при сопоставлении всегда имеют какие-то цветовые оттенки.
Постоянство белизны
Явление константности цвета или света сводится к тому, что, несмотря на непостоянство и изменчивость получаемых сетчаткой глаза световых сигналов, в восприятии мы получаем более или менее постоянный образ, соответствующий реальному объекту.
Белый лист бумаги воспринимается белым и в слабо, и в ярко освещённом помещении. Эта константа существует для всех цветов. Есть некая аналогия между постоянством восприятия белизны и восприятием величины размеров – мы не замечаем перспективных изменений видимых размеров предмета, когда они находятся далеко от нас, и ясно видим их уменьшение на большом расстоянии.
Зрительная оценка белизны поверхности зависит, таким образом, от количества света, отражаемого поверхностью, и от установки восприятия.
