光與影

張軍

光和影在生活中隨處可見，關(guān)于光和影的話題也常說常新。光影在不同的文化中被賦予不同的意義，不同的光影搭配會帶來不同的情緒體驗(yàn)和心理感受，光影配合是建筑設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，光影技巧更是攝影藝術(shù)的靈魂…… 今天，我們也來聊聊光和影。

光由自然光源或人造光源發(fā)出，這些光或沿直線傳播，或發(fā)生反射、折射，或被物體吸收，營造出一個(gè)光怪陸離的世界。利用身邊器材，我們可以做出很多有意思的光影小實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)光照射到不透明物體的表面，會被遮住，形成一片光照射不到的部分，這就是影子。仔細(xì)觀察影子，會發(fā)現(xiàn)影子的邊緣部分界線模糊，不像影子中心部分那么黑（圖1）。如果是點(diǎn)光源照射，在物體背光部分形成的影子界線是很清晰的。但是，生活中的發(fā)光物體，如日光燈、車燈、手電、太陽等，總是有一定發(fā)光面積的，它們可被看作無數(shù)個(gè)點(diǎn)光源的組合，每個(gè)點(diǎn)光源形成的影子重疊的部分最黑，這部分在物理學(xué)上被稱作“本影”；而部分光線照射到、部分光線照射不到的公共區(qū)域，影子則相對亮一些，這部分被稱作“半影”。如果將物體置于臺燈和燭光的照射下，你會發(fā)現(xiàn)多個(gè)層次的影子（圖2）。

當(dāng)?shù)厍驌踝∩湎蛟虑虻奶柟鈺r(shí)，地球的影子就會落在月球上，形成月食；當(dāng)月球擋住射向地球的太陽光時(shí)，月球的影子就會落在地球上，形成日食。日食現(xiàn)象中同樣存在著本影和半影，如圖3，橙色圓形表示太陽，藍(lán)色圓形表示月球，地球沒有畫出來。區(qū)域Ⅰ形成的是本影，觀察到的是日全食；區(qū)域Ⅱ和Ⅲ形成的是半影，觀察到的是日偏食；區(qū)域Ⅳ看不到太陽的中心部分，觀察到的是日環(huán)食。

如果透明物體不同部分的透明程度不同，當(dāng)光源照射到物體時(shí)，就會有不同強(qiáng)度的光穿透到另一邊，形成亮度不同的影子。如果透明物體帶有顏色，則透過與它顏色相同的光，看上去就像是形成了顏色不同的影子（圖4）。

皮影戲就利用了這個(gè)原理。制作人物剪影時(shí)，首先要將羊皮、驢皮等獸皮進(jìn)行透明化處理，然后經(jīng)過畫稿、鏤刻、敷彩、綴結(jié)等工序，得到能透過不同顏色、不同亮度的皮影人。表演時(shí)，用燈光照射皮影人，在白色幕布上就出現(xiàn)了層次豐富的光影組合，形成栩栩如生的畫面（圖5）。

當(dāng)物體周圍光源足夠多時(shí)，本影和半影都可以淡到看不見的程度，這就是無影燈的工作原理。

無影燈常見的應(yīng)用是為外科醫(yī)生做手術(shù)提供照明（圖6）。手術(shù)中，醫(yī)生必須精確地觀察到體腔中不同深度的部位，分清楚輪廓與細(xì)節(jié)，這時(shí)排除手術(shù)器械、醫(yī)生的頭手等形成的干擾陰影就非常重要。考慮到手術(shù)場景的特殊性，這時(shí)不但要考慮到光的亮度，還要綜合考慮色彩的保真度、長時(shí)間發(fā)光的安全性、有無病菌影響等多個(gè)因素。

在生物領(lǐng)域，無影燈用于光學(xué)設(shè)備的照明，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果；在工業(yè)領(lǐng)域，無影燈用于機(jī)器維修和操作的照明，提高安全性與準(zhǔn)確率。在不同應(yīng)用領(lǐng)域，對無影燈的要求也不盡相同。

將直桿豎直立在陽光下的水平地面上，地面上就會出現(xiàn)桿的影子。由于太陽光可被看作平行光，所以某時(shí)刻影子長度與桿高度的比值是恒定的。根據(jù)這個(gè)原理，我們可以粗略測量建筑物的高度。

取一根高度為h2的短桿，直立在水平地面，測出它影子長度為l2；測出同一水平面上某建筑物的影子長度l1；根據(jù)l2： h2= l1 ： h1，即可計(jì)算出建筑物的高度（圖7）。

利用這個(gè)方法，我們還可以估測電線桿、樹木等的高度。

古人對東、南、西、北方向的確定是大概而模糊的，并沒有精確的規(guī)定。太陽升起的方向是東方，太陽落下的方向是西方。面對太陽升起的地方，右手一側(cè)為南方，左手一側(cè)為北方。但是，一年四季中，太陽升起和落下的方位并不相同。

指南針的指向也不是固定不變的，一方面是因?yàn)榈孛嫔喜煌恢玫牡卮艌龇较虿⒉煌耆粯樱硪环矫媸且驗(yàn)榈卮艌霰旧硪苍诓粩嘧兓小Ｖ改厢標(biāo)傅牡卮拍媳狈较蚺c地理南北方向也不一致，它們之間有一個(gè)夾角，叫“磁偏角”。磁偏角也不是一個(gè)恒定值，因此，用指南針確定的南北方向也是比較模糊的。

利用“立竿見影”，可以粗略確定東西方向。在平坦的高地上選一點(diǎn)O，以O(shè)點(diǎn)為圓心，在地面畫個(gè)圓，在O點(diǎn)豎直插一根桿。早上太陽升起時(shí)，桿影與圓相交于B點(diǎn)；傍晚太陽下山時(shí)，桿影與圓相交于A點(diǎn)。直線AB所在的方向就是東西方向，與之垂直的方向即為南北方向（圖8）。

如果覺得這樣太耗時(shí)，也有簡便的方法。在水平地面豎直立一根短桿，標(biāo)記出桿最高點(diǎn)的影子位置C；15分鐘之后，桿最高點(diǎn)的影子移到了D點(diǎn)。直線CD所在方向就是大致的東西方向。

手影戲是傳統(tǒng)的民間游戲了，可能大多數(shù)同學(xué)都玩過?？梢杂靡恢皇滞?，也可以用兩只手玩，還可以在手里抓一些物品配合著玩。無論是陽光、月光、燈光，都可以形成各種形象的手影。通常情況下，大家都是模仿出小動物的形象，狗、貓、兔子、鴿子等（圖9）。

現(xiàn)在也有團(tuán)隊(duì)表演的，不僅有手影，還有身影、道具的影子。通過調(diào)整姿態(tài)，在屏幕上能出現(xiàn)多種形象，在畫外音的配合下，可以描述一個(gè)相對完整的故事。和你的小伙伴商量商量，編一個(gè)“手影劇”，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給大家表演一下吧（圖10）！

（責(zé)任編輯：白玉磊）