光與影

張軍

光和影在生活中隨處可見，關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和心理感受，光影配合是建筑設計中的重要內容，光影技巧更是攝影藝術的靈魂…… 今天，我們也來聊聊光和影。

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

當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。仔細觀察影子，會發現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，生活中的發光物體，如日光燈、車燈、手電、太陽等，總是有一定發光面積的，它們可被看作無數個點光源的組合，每個點光源形成的影子重疊的部分最黑，這部分在物理學上被稱作“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，你會發現多個層次的影子（圖2）。

當地球擋住射向月球的太陽光時，地球的影子就會落在月球上，形成月食；當月球擋住射向地球的太陽光時，月球的影子就會落在地球上，形成日食。日食現象中同樣存在著本影和半影，如圖3，橙色圓形表示太陽，藍色圓形表示月球，地球沒有畫出來。區域Ⅰ形成的是本影，觀察到的是日全食；區域Ⅱ和Ⅲ形成的是半影，觀察到的是日偏食；區域Ⅳ看不到太陽的中心部分，觀察到的是日環食。

如果透明物體不同部分的透明程度不同，當光源照射到物體時，就會有不同強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原理。制作人物剪影時，首先要將羊皮、驢皮等獸皮進行透明化處理，然后經過畫稿、鏤刻、敷彩、綴結等工序，得到能透過不同顏色、不同亮度的皮影人。表演時，用燈光照射皮影人，在白色幕布上就出現了層次豐富的光影組合，形成栩栩如生的畫面（圖5）。

當物體周圍光源足夠多時，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。

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

在生物領域，無影燈用于光學設備的照明，優化實驗效果；在工業領域，無影燈用于機器維修和操作的照明，提高安全性與準確率。在不同應用領域，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，地面上就會出現桿的影子。由于太陽光可被看作平行光，所以某時刻影子長度與桿高度的比值是恒定的。根據這個原理，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l2： h2= l1 ： h1，即可計算出建筑物的高度（圖7）。

利用這個方法，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，右手一側為南方，左手一側為北方。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，一方面是因為地面上不同位置的地磁場方向并不完全一樣，另一方面是因為地磁場本身也在不斷變化中。指南針所指的地磁南北方向與地理南北方向也不一致，它們之間有一個夾角，叫“磁偏角”。磁偏角也不是一個恒定值，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O，以O點為圓心，在地面畫個圓，在O點豎直插一根桿。早上太陽升起時，桿影與圓相交于B點；傍晚太陽下山時，桿影與圓相交于A點。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，也有簡便的方法。在水平地面豎直立一根短桿，標記出桿最高點的影子位置C；15分鐘之后，桿最高點的影子移到了D點。直線CD所在方向就是大致的東西方向。

手影戲是傳統的民間游戲了，可能大多數同學都玩過。可以用一只手玩，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）。

現在也有團隊表演的，不僅有手影，還有身影、道具的影子。通過調整姿態，在屏幕上能出現多種形象，在畫外音的配合下，可以描述一個相對完整的故事。和你的小伙伴商量商量，編一個“手影劇”，在適當的時候給大家表演一下吧（圖10）！

（責任編輯：白玉磊）