青山蓝天白云,色彩让世界更加美好 。人眼有感知颜色的能力,所以能欣赏这个五彩缤纷的世界 。天空空通常是蓝色的,云通常是白色的,那么它们为什么是这个颜色呢?为什么天空空不能是绿色的,云不能是蓝色的?
无论是蓝天空、白云,还是美丽的彩霞,都是发生在大气中的光学现象 。阳光、大气和云彩交织在一起,构成了一幅美丽的画面 。
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人眼是如何看到颜色的?
人们通过眼睛发现世界的美丽 。当外界光线投射到眼睛里的视网膜上,人类就可以观察世界了 。除了发光的物体,不发光的物体是可以反射光线的,所以能被我们看到 。
人类视网膜中有两种类型的感光细胞:视锥细胞和视杆细胞 。视觉细胞可以将光信号转化为电信号,大脑中负责视觉的区域接收到这个电信号,就可以在大脑中生成视觉图像 。人眼视网膜包含约1.2亿个视杆细胞,主要负责区分明暗程度和动态信息 。人眼视网膜中约有700万个视锥细胞,主要负责感知颜色和强光 。研究表明,人的眼睛有三种视锥,可以区分红、绿、蓝 。至于红绿蓝以外的颜色,这些颜色的频率可以使两个或两个以上的视锥细胞产生不同程度的刺激,从而在大脑中形成不同的色觉 。
如果眼睛里没有颜色感知细胞,我们看到的世界就是黑白的 。因为基因缺陷,有些人生来就是色盲,色盲眼中的世界会缺少某种颜色 。色盲患者只能看到黑白世界 。对于一些拥有四种视锥的动物来说,它们眼中世界的颜色更加丰富,能够感知人眼无法感知的细节 。
颜色的本质
光本质上是一种电磁波,具有粒子和波的双重属性 。在光的传播过程中,由于介质的影响,会发生反射、折射、散射等现象 。人眼能看到的光的波长约为400~760 nm,称为可见光 。虽然人类眼睛的感光细胞理论上可以识别1600万种颜色,但我们只能清晰地识别几百种颜色 。
下图显示了不同颜色光的波长 。
17世纪,伟大的物理学家牛顿对光进行了深入的研究 。牛顿在研究太阳光时,发现太阳光通过三棱镜后会形成光谱,这表明太阳光(可见光)是由各种单色光组成的复合光(白光) 。暴雨过后,空水滴会悬浮在空中 。这些水滴相当于三棱镜,可以将太阳光分解成七种颜色的光 。雨过天晴不久,当空中悬浮的水滴较多时,在地面上从特定的角度可以看到彩虹 。当太阳光通过棱镜时,它会被分散,因为不同频率的光有不同的折射率 。在可见光中,红光频率低,折射率低;紫光频率高,折射率高 。
不同颜色的光对应不同的频率 。理论上,自然界有无限种颜色 。其实光是没有颜色特征的,色光的区别只是频率的不同 。我们根据人眼感知的频率来划分彩色光 。
它包含三个要素:色相、明度和饱和度(纯度) 。色相是用来区分不同颜色的,是由进入人眼的光的光谱决定的 。不同的物体有不同的光谱特性,单色光的色调完全取决于光的频率 。亮度是指颜色的亮度,由光的强度决定 。亮度的变化通常会影响颜色的纯度 。纯度表示颜色的深浅,或鲜艳程度,与光谱中单色光的比例有关 。饱和度为0时,变为黑白 。
决定物体颜色的因素是什么?
物体的颜色取决于光源和物体 。
不同的光源有不同的光谱 。自然界中最常见的光源是阳光,它是各种颜色的混合,从大气层外看起来是白色的 。当光线照射到物体上时,会被物体吸收、反射和透射(包括散射和折射) 。
上图清楚地显示了反射、折射和散射的区别 。
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