漫反射是人眼能夠看到物體的必要條件嗎

王偉民

摘要：以生活中的一些常見光學(xué)現(xiàn)象為例，分析教科書將物體發(fā)生漫反射作為人能夠看到物體必要條件不妥的原因，并提出修改方案。

關(guān)鍵詞：漫反射；光線；顏色；強(qiáng)度；白化天

不同物體的表面對光的反射特性不同。光滑表面的物體可以使一束平行入射的光束仍平行（或接近平行）反射而出，如果入射光平行，則反射光集中在某一特定的區(qū)域；而粗糙表面的物體，盡管入射光平行，反射光束也不再平行，而是射向四面八方。為了研究問題的方便，物理學(xué)將這兩種不同的反射，前者定義為鏡面反射，后者定義為漫反射。

各種版本的教科書在給出鏡面反射及漫反射定義之后，都對人眼能夠從各個不同方向看到物體與物體發(fā)生漫反射間的邏輯關(guān)系進(jìn)行描述，盡管語句不盡相同，但要表達(dá)的意思是一樣的。

“正是由于桌椅、書本等物體會對照射到其上的光線產(chǎn)生漫反射，我們才可以從不同方向看到它們”（人教社八年級物理上冊75面，2012年版）。

“多虧有漫反射，我們才能從不同方向看到不發(fā)光的物體，想一想，這是什么道理？”（滬科版八年級物理全一冊56面，2012年版）。

從“正是……，才……”、“多虧……，才……”這些關(guān)聯(lián)詞語的運(yùn)用來看，教科書將物體發(fā)生“漫反射”視為“人眼能夠從不同方向看到物體”的必要條件。換言之，如果物體不能發(fā)生漫反射，人們將看不到物體（至少不能從各個不同方向都看到物體）。筆者以為，這樣的敘述欠妥，我們很容易舉出一些相反的例子來推翻它。在室內(nèi)放一塊平面鏡，鏡子表面發(fā)生的反射肯定是鏡面反射，不是漫反射，但是，只要有光照，室內(nèi)的人們不論站在哪個角度，都可以從不同方向看到這塊鏡子！

教科書之所以有上述錯誤論斷，是因為將“有光線進(jìn)入人眼”作為“人們能夠看到物體”的條件了。實際上，不僅教科書有這樣的觀點，在很多相關(guān)的物理資料中也可以找到這樣觀點的論述，并且這些資料還會舉出相關(guān)的“實例”來進(jìn)行佐證——閉上眼睛人們看不到物體，是因為光線不能進(jìn)入眼睛；漆黑的夜晚沒有光源照射時，人們看不到物體也是因為沒有光線射入人的眼睛。

實際上，上述理解是片面的，當(dāng)然也是錯誤的。人眼能夠“看到”物體所具備的條件，不是說要有光線進(jìn)入人眼，而是觀察的對象及其周圍物體或空間進(jìn)入眼睛的光線不同——光的強(qiáng)弱不同或光的頻率不同（頻率不同的光，給人的感覺是顏色不同），只有觀察對象與周圍環(huán)境之間進(jìn)入眼睛的光線有強(qiáng)弱或顏色的對比時，人們才能夠感覺到物體的存在，否則，不論從物體處有無光線進(jìn)入人眼，如果從觀察對象物體處進(jìn)入眼睛的光線與周圍環(huán)境相比沒有區(qū)分度，或者根本沒有光線進(jìn)人人眼的話，人眼都無法感受的物體的存在。

舉個例子，白紙上寫紅字，放在暗室中，只讓紅光照射，人眼只能看到一張紅紙，看不到紙上所寫的字，原因是，字和周圍的紙反射的是強(qiáng)度和顏色相同的色光，沒有了區(qū)分度，所以，字也就從紙上“消失”了。再比如，地球的南極有一類極端天氣現(xiàn)象，叫做“白化天”：若氣溫極低，空曠的原野全部被白色的積雪覆蓋，當(dāng)狂風(fēng)將地面積雪卷到天空時，陽光經(jīng)地面冰雪反射后射向空中，再被空中懸浮的小冰晶散射，周圍空間將是一片混沌，天地間失去了界限，人就像被白色的牛奶包圍一般，這時，雪中的行人將分不清路面的高和低，景物的遠(yuǎn)與近，因為從周圍空間進(jìn)入眼睛的光線是強(qiáng)度一樣的白色，哪怕腳前是陡峭的懸崖，人眼也很難“看”得到，人在這樣的環(huán)境走山路是非常危險的，稍不留神，就可能失足跌入萬丈深淵。以上兩實例說明，從物體處有光線進(jìn)入人眼，人們未必能夠“看到”物體。

反過來，從物體處沒有光線進(jìn)入人眼，人眼也不一定看不到它——白天，室內(nèi)放一個黑色的物體，我們?nèi)钥梢郧宄摹翱吹健蔽矬w的位置和大小，原因是黑色物體雖然不反光，但是物體周圍有光線進(jìn)入我們的眼睛，周圍背景和我們要看的物體會形成鮮明的光的強(qiáng)弱及顏色對比。假如是漆黑的夜晚沒有光源照射，那么眼前將是一片黑暗，不要說我們的觀察對象黑色物體，此時周圍的所有物體，不論它們在陽光下是什么顏色，現(xiàn)在都變成了同一個色彩“黑色”，人們將什么物體也看不到——此時觀察對象與周圍的背景不再有光的強(qiáng)弱和顏色的對比。

這就是說，人眼是否能夠“看到”物體，不是因為是否有光線進(jìn)入人眼，而是取決于從所觀察對象及其周圍的背景處進(jìn)入眼睛的光線，是否有強(qiáng)弱或顏色的對比。

發(fā)生鏡面反射的物體，在平行光（比如太陽光）的照射下，反射光線集中在某一特定區(qū)域，在有反射光線的區(qū)域內(nèi)，人面向反射面時，感到物體特別亮，在其他區(qū)域，基本上沒有反射光線進(jìn)入人的眼睛，感到物體很暗，甚至有可能“變成”了黑色。而發(fā)生漫反射的物體，在光線（不論是平行光還是自然光）的照射下，反射光線都是射向四面八方，人在各個不同方向面向物體時，都有光線進(jìn)入人眼，如果反射向各個方向的光強(qiáng)度均勻分布的話（一般粗糙物體的表面在自然光的照射下都是如此），人在不同方位看到物體的明暗和顏色是一樣的漫反射與鏡面反射的區(qū)別僅此而已。因此，一個不發(fā)光物體的表面，不論是發(fā)生鏡面反射還是漫反射，只要從該物體射向人眼睛的光線與周圍環(huán)境射向人眼睛的光線有區(qū)別，人眼都能看到物體（當(dāng)然，要想看到物體的細(xì)節(jié)，除了細(xì)節(jié)部位要有足夠大的尺度外，物體的不同部分射向人眼睛的光線要有強(qiáng)度或顏色的區(qū)別）。

所以，筆者以為，教科書中的這句描述人眼能夠從不同方向看到物體與物體發(fā)生漫反射邏輯關(guān)系的語句，改為“發(fā)生漫反射的物體，在自然光的照射下，我們從不同方向觀察時，物體的顏色和明暗不會有明顯的差別”才妥當(dāng)。endprint