观察彩色阴影：探索物理现象

彩色的阴影

Colorful Shadow

日常生活中的阴影一般是黑色的，你看见过彩色阴影吗？本实验演示通过加色混合与减色混合使阴影成为彩色。

实验装置

两台相同的投影机；红色、绿色过滤片；白色投影屏幕或白墙；挡光纸板等。

现象观察

两台相同的投影机都对着白色屏幕投影，左边投影机盖绿色滤光片，右边投影机盖红色滤光片。当伸手或将其他不透明物体置于投影机前面，可以观察到：若手挡住红色光时，经过绿色滤光片的光使手的阴影为绿色，如图1所示；若手挡住绿色光时，经过红色滤光片的光使手的阴影为红色。改变手或不透明阻挡物离屏幕的距离还可观察到黑色阴影，以及阴影大小的变化。

图1　彩色阴影

现象解密

通常情况下，人能观察到物体有三种原因。

第一是有光源，当光源发出的光直接照到人眼里时，人就观察到光源的颜色。可见光按频率或波长排列形成光谱，典型的光谱如图2所示：长波端是红光，随着波长的减小依次为橙、黄、绿、青、蓝和紫光。这种直接照到人眼中的光的颜色由发光体本身的性质决定的，如光源是红色，则人观察到的就是红色。

图2　光谱的颜色

第二种情况，虽然物体本身不发光，但是物体可将照射到其表面的光反射到眼睛，使人看到该物体。由于不同物体对光的吸收与反射能力不同，所以反射光的颜色不一定就是光源的颜色，而是由反射光和光源共同决定的，如图3所示。

图3　经反射或透射后光源的颜色

第三种情况是光穿过透明物体后照射到人眼里，人观察到的是经过透射物的光线。因为不同物体吸收光的能力不同，而且不同频率的光穿透能力也不同，所以光线穿过后的颜色也可能与光源颜色不同。

阴影的形成既受光源影响，也受反射物或者透射物的影响。如果单一光源照射到不透明物体上，没有或是很少有光能透过它而照射到人的眼睛里，因此人所观察到该物体的阴影是黑色的。(www.xing528.com)

若是有多个不同颜色的光源，人所观察到的物体阴影的颜色则由多色光源叠加而成。两种或两种以上的色光混合时，会同时或在极短的时间内连续刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉，我们称之为色光加色法，如图4，红、绿、蓝三原色光混合得到新的颜色。

图4　三原色光混合得到的颜色

只有透过绿色滤光片的光照到屏幕上时，仅能观察到绿色光；只有透过红色滤光片的光照到屏幕上时，仅能观察到红色光。当绿光与红光同时照射屏幕时，则观察到黄光。如果用手或不透明物体挡住部分红光与绿光时，不同区域形成的阴影颜色是不同的。如图5，S_r区域为红色阴影，S_g区域为绿色阴影。这是因为S_r区域只有红光照射到，S_g区域只有绿光照到。

图5　不同区域不同阴影颜色

图6　三种颜色的阴影

在图6中，可以观察到三种颜色的阴影：红色光阴影区、绿色光阴影区、黑色阴影区。红色、绿色光阴影区与图5中的形成原因相同，黑色阴影区则是由于两种色光都没有照射到屏幕上该区域而形成的。

图7　彩色转盘转动的颜色

应用拓展

如图7所示的彩色转盘。在转盘上以1∶1的比例间隔均匀地涂上红、绿两种颜色，快速转动转盘，问看到的是什么颜色？

我们可以观察到的已不再是红、绿两种颜色，而是黄色，因为当转盘快速转动时，由于视觉暂留，进入人眼的红色、绿色反射光混合为黄色光。

思考题

1.在图5与图6中彩色阴影的大小与哪些因素有关？请说明理由。

2.图7彩色转盘没有旋转时，红光与绿光有各自不同的频率；当彩色转盘旋转时观察到黄光，请问这个黄光与波长589nm的黄光是同一种光吗？两者的频率是否相同？