光与影

张军

光和影在生活中随处可见，关于光和影的话题也常说常新。光影在不同的文化中被赋予不同的意义，不同的光影搭配会带来不同的情绪体验和心理感受，光影配合是建筑设计中的重要内容，光影技巧更是摄影艺术的灵魂…… 今天，我们也来聊聊光和影。

光由自然光源或人造光源发出，这些光或沿直线传播，或发生反射、折射，或被物体吸收，营造出一个光怪陆离的世界。利用身边器材，我们可以做出很多有意思的光影小实验。

当光照射到不透明物体的表面，会被遮住，形成一片光照射不到的部分，这就是影子。仔细观察影子，会发现影子的边缘部分界线模糊，不像影子中心部分那么黑（图1）。如果是点光源照射，在物体背光部分形成的影子界线是很清晰的。但是，生活中的发光物体，如日光灯、车灯、手电、太阳等，总是有一定发光面积的，它们可被看作无数个点光源的组合，每个点光源形成的影子重叠的部分最黑，这部分在物理学上被称作“本影”；而部分光线照射到、部分光线照射不到的公共区域，影子则相对亮一些，这部分被称作“半影”。如果将物体置于台灯和烛光的照射下，你会发现多个层次的影子（图2）。

当地球挡住射向月球的太阳光时，地球的影子就会落在月球上，形成月食；当月球挡住射向地球的太阳光时，月球的影子就会落在地球上，形成日食。日食现象中同样存在着本影和半影，如图3，橙色圆形表示太阳，蓝色圆形表示月球，地球沒有画出来。区域Ⅰ形成的是本影，观察到的是日全食；区域Ⅱ和Ⅲ形成的是半影，观察到的是日偏食；区域Ⅳ看不到太阳的中心部分，观察到的是日环食。

如果透明物体不同部分的透明程度不同，当光源照射到物体时，就会有不同强度的光穿透到另一边，形成亮度不同的影子。如果透明物体带有颜色，则透过与它颜色相同的光，看上去就像是形成了颜色不同的影子（图4）。

皮影戏就利用了这个原理。制作人物剪影时，首先要将羊皮、驴皮等兽皮进行透明化处理，然后经过画稿、镂刻、敷彩、缀结等工序，得到能透过不同颜色、不同亮度的皮影人。表演时，用灯光照射皮影人，在白色幕布上就出现了层次丰富的光影组合，形成栩栩如生的画面（图5）。

当物体周围光源足够多时，本影和半影都可以淡到看不见的程度，这就是无影灯的工作原理。

无影灯常见的应用是为外科医生做手术提供照明（图6）。手术中，医生必须精确地观察到体腔中不同深度的部位，分清楚轮廓与细节，这时排除手术器械、医生的头手等形成的干扰阴影就非常重要。考虑到手术场景的特殊性，这时不但要考虑到光的亮度，还要综合考虑色彩的保真度、长时间发光的安全性、有无病菌影响等多个因素。

在生物领域，无影灯用于光学设备的照明，优化实验效果；在工业领域，无影灯用于机器维修和操作的照明，提高安全性与准确率。在不同应用领域，对无影灯的要求也不尽相同。

将直杆竖直立在阳光下的水平地面上，地面上就会出现杆的影子。由于太阳光可被看作平行光，所以某时刻影子长度与杆高度的比值是恒定的。根据这个原理，我们可以粗略测量建筑物的高度。

取一根高度为h2的短杆，直立在水平地面，测出它影子长度为l2；测出同一水平面上某建筑物的影子长度l1；根据l2： h2= l1 ： h1，即可计算出建筑物的高度（图7）。

利用这个方法，我们还可以估测电线杆、树木等的高度。

古人对东、南、西、北方向的确定是大概而模糊的，并没有精确的规定。太阳升起的方向是东方，太阳落下的方向是西方。面对太阳升起的地方，右手一侧为南方，左手一侧为北方。但是，一年四季中，太阳升起和落下的方位并不相同。

指南针的指向也不是固定不变的，一方面是因为地面上不同位置的地磁场方向并不完全一样，另一方面是因为地磁场本身也在不断变化中。指南针所指的地磁南北方向与地理南北方向也不一致，它们之间有一个夹角，叫“磁偏角”。磁偏角也不是一个恒定值，因此，用指南针确定的南北方向也是比较模糊的。

利用“立竿见影”，可以粗略确定东西方向。在平坦的高地上选一点O，以O点为圆心，在地面画个圆，在O点竖直插一根杆。早上太阳升起时，杆影与圆相交于B点；傍晚太阳下山时，杆影与圆相交于A点。直线AB所在的方向就是东西方向，与之垂直的方向即为南北方向（图8）。

如果觉得这样太耗时，也有简便的方法。在水平地面竖直立一根短杆，标记出杆最高点的影子位置C；15分钟之后，杆最高点的影子移到了D点。直线CD所在方向就是大致的东西方向。

手影戏是传统的民间游戏了，可能大多数同学都玩过。可以用一只手玩，也可以用两只手玩，还可以在手里抓一些物品配合着玩。无论是阳光、月光、灯光，都可以形成各种形象的手影。通常情况下，大家都是模仿出小动物的形象，狗、猫、兔子、鸽子等（图9）。

现在也有团队表演的，不仅有手影，还有身影、道具的影子。通过调整姿态，在屏幕上能出现多种形象，在画外音的配合下，可以描述一个相对完整的故事。和你的小伙伴商量商量，编一个“手影剧”，在适当的时候给大家表演一下吧（图10）！

（责任编辑：白玉磊）