سایه های رنگی
مقدمه:
آیا تا به حال به این فکر کرده اید که جهان بدون رنگ چگونه است؟ اکثر ما انسان ها رنگ را موضوعی مسلم در جهان می دانیم زیرا همه جا رنگی است، دریای آبی، چمن سبز، گل های رنگارنگ و غیره. چشمان ما قادر به تشخیص ده میلیون رنگ مختلف است! اما منشأ این رنگ ها چیست؟ چشمان ما چگونه این همه رنگ را تشخیص می دهد؟ با کمک سایه ها پاسخ این سوالات را خواهیم داد. سپس خواهید توانست با نور نقاشی بکشید و رنگ هایی با ترکیب نورهای قرمز، سبز و آبی بسازید.
پیش زمینه:
دید رنگی قرن ها محققان را مجذوب خود کرده است. اساس علمی پشت رنگ این است که نور مرئی طول موجی در محدوده ی ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر دارد. اگر نور بر یک شیء بتابد، آن جسم مقداری از نور را جذب و باقی آن را منعکس می کند. طول موج های منعکس شده به چشم شما می رسند و چشم رنگ این نور را تشخیص می دهد. اما چشم چگونه طول موج های مختلف را از هم تشخیص می دهد؟ برای این منظور، سلول های گیرنده ی رنگ خاصی در شبکیه ی چشم انسان ها وجود دارد که سلول های مخروطی نام دارند. سه نوع سلول مخروطی وجود دارد و هر نوع به طیف خاصی از طول موج واکنش نشان می دهد و در واقع به رنگی خاص حساس تر است (قرمز، سبز و آبی). هنگامی که نور به چشم ما می رسد، هر نوع از این سلول های مخروطی به طور متفاوتی تحریک می شوند. تفاوت سیگنال های مربوط به هر نوع سلول مخروطی به مغز این امکان را می دهد که طیف پیوسته ای از رنگ ها را تشخیص دهد. برای به دست آمدن رنگ های مختلف باید سه رنگ اصلی با نسبت های متفاوت با هم ترکیب شوند.
احتمالاً با رنگ های اصلی آشنا هستید. این رنگ ها می توانند با هم ترکیب شوند و طیف گسترده ای از رنگ های دیگر را ایجاد کنند. ترکیب رنگ ها با دو روش ترکیبی کاهشی یا افزایشی امکان پذیر است. ترکیب رنگ افزایشی زمانی اتفاق می افتد که دو یا چند پرتو نور با رنگ مختلف با هم تداخل پیدا می کنند، روشی که در بسیاری از نمایشگرهای الکترونیکی کاربرد دارد. ترکیب رنگ کاهشی هنگامی رخ می دهد که نور از فیلترهای رنگی عبور کند که هر کدام بخشی از طول موج نور اصلی را جذب می کنند یا کاهش می دهند. رنگ های اصلی معمول مورد استفاده در ترکیب رنگ افزایشی سه رنگ قرمز، سبز (به جای زرد) و آبی هستند (طیف رنگ هایی که سه نوع سلول مخروطی چشم بیشتر به آنها حساس هستند). با ترکیب آنها سه رنگ ثانویه و یک رنگ سوم ایجاد می شود. چراغ قوه هایتان را آماده کنید و مشغول به کار شوید تا این موضوع را به طور عملی بررسی کنید!
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک اتاق تاریک
یک ورق کاغذ سفید
سه چراغ قوه ی کوچک با شدت نور یکسان
سلفون آبی، قرمز و سبز
سه عدد کش لاستیکی
خودکار
جعبه ی مقوایی
خط کش یا متر اندازه گیری
یک نوار پهن کاغذی با طول پنج تا شش سانتیمتر (اختیاری)
آماده سازی:
پنج مربع از هر سلفون (قرمز، آبی و سبز) در ابعادی ببرید که هر تکه جلوی چراغ قوه را پوشش دهد و کمی هم از اطراف بیرون بزند.
پنج مربع یک رنگ را مقابل یکی از چراغ قوه ها قرار دهید و دور آن را با کش لاستیکی محکم کنید تا تکه ها از چراغ قوه جدا نشوند.
همین کار را در مورد دو رنگ دیگر انجام دهید.
کاغذ سفید را مقابل یک دیوار قرار دهید تا به عنوان صفحه نمایش کار عمل کند.
جعبه مقوایی را در مقابل صفحه نمایش سفید بگذارید.
تمام چراغ های داخل اتاق را خاموش کنید. (برای گرفتن نتیجه ی مناسب اتاق باید کاملاً تاریک باشد.)
روش کار:
چراغ قوه ی قرمز را روشن کنید. نور آن را به کاغذ سفید بتابانید. چه رنگی روی صفحه ی سفید مشاهده می کنید؟
در حالی که چراغ قوه روشن است آن را روی جعبه ی مقوایی بگذارید. فاصله ی چراغ قوه تا صفحه را طوری تنظیم کنید که یک دایره ی نورانی کامل روی صفحه ی سفید ببینید. حال خودکار را به صورت عمودی میان چراغ قوه و صفحه ی سفید نگه دارید. در این حالت روی صفحه چه می بینید؟ آیا سایه ی تشکیل شده رنگ خاصی دارد؟
خودکار را در همان وضعیت نگه دارید. حال با خط کش فاصله ی مرکز نورانی چراغ قوه تا سایه ی تشکیل شده روی کاغذ سفید را اندازه بگیرید. خودکار در این میان در کجا قرار دارد؟
چراغ قوه ی قرمز را خاموش کنید و مراحل ۱، ۲ و ۳ را با نورهای آبی و سبز به طور جداگانه تکرار کنید. نور هر کدام از این چراغ قوه ها روی صفحه ی سفید چگونه به نظر می رسد؟ آیا رنگ سایه ها با تغییر رنگ نور چراغ قوه عوض می شود؟ آیا موقعیت خودکار در این سه حالت ثابت است؟
حال چراغ قوه ی قرمز و سبز را روشن کنید. دو چراغ قوه را کنار هم طوری روی جعبه ی مقوایی قرار دهید که هر دو رو به صفحه ی سفید باشند. دقت داشته باشید که هر دو چراغ قوه باید دایره هایی هم اندازه روی صفحه تشکیل دهند. حال چراغ قوه ی قرمز را طوری تکان دهید که دایره ی قرمز با دایره ی سبز روی صفحه هم پوشانی پیدا کند. پس از هم پوشانی این دو چه اتفاقی می افتد؟ آیا رنگ سبز تغییر می کند؟ اکنون چه رنگی روی صفحه می بینید؟
در حالتی که دو نور سبز و قرمز همچنان هم پوشانی دارند، خودکار را به صورت عمودی میان چراغ قوه ها و صفحه نگه دارید. آیا سایه ای از خودکار روی صفحه می بینید؟ سایه ها چه تعداد و چه رنگی هستند؟
به جای چراغ قوه ی سبز چراغ قوه ی آبی را قرار دهید. موقعیت دو چراغ قوه را طوری تنظیم کنید که دایره های آبی و قرمز هم-پوشانی داشته باشند. آیا ترکیب آبی و قرمز رنگ جدیدی ایجاد می کند؟
مجدداً خودکار را به صورت عمودی میان چراغ قوه ها و صفحه ی سفید نگه دارید. این بار چند سایه می بینید؟ رنگ سایه ها تغییر کرده است؟
حال به جای چراغ قوه ی قرمز چراغ قوه ی سبز را قرار دهید. بار دیگر دایره های رنگی را در صفحه روی هم قرار دهید. این بار چه رنگی می بینید؟ آیا رنگی بسیار متفاوت با سبز و آبی تشکیل شده است؟
در انتها، سه چراغ قوه ی سبز، آبی و قرمز را با هم روی جعبه ی مقوایی قرار دهید. سعی کنید این سه رنگ را روی صفحه با هم ترکیب کنید. رنگ ترکیبی چگونه است؟ آیا انتظار داشتید این رنگ روی صفحه تشکیل شود؟ به نظرتان چرا ترکیب سبز، آبی و قرمز این رنگ را ایجاد می کند؟
خودکار خود را به صورت عمودی میان سه چراغ قوه و صفحه ی سفید نگه دارید. روی صفحه چه مشاهده می کنید؟ چه تعداد سایه روی صفحه تشکیل شده است؟ رنگ آنها چیست؟ به نظرتان دلیل رنگ هر سایه چیست؟
آزمایش های تکمیلی:
در حالی که سه چراغ قوه روشن هستند و یک دایره ی واحد روی صفحه تشکیل داده اند، سعی کنید با استفاده از اجسامی پهن تر از خودکار تشکیل سایه بدهید، مثلاً یک نوار کاغذی پهن. در حالی که نوار کاغذی را میان چراغ قوه ها و صفحه نگه داشته اید، فاصله ی میان جسم و صفحه را تغییر دهید. با نزدیک کردن جسم به صفحه آیا تعداد سایه ها و رنگ های روی صفحه تغییر می-کند؟ چه تعداد رنگ می توانید با این روند ایجاد کنید؟
هر سه چراغ قوه را رو به صفحه روی جعبه ی مقوایی قرار دهید. این بار طوری این کار را انجام دهید که تنها قسمتی از دایره ها با هم هم پوشانی داشته باشند. در محل های هم پوشانی چه رنگ هایی مشاهده می کنید؟ در صورتی که تمام دایره ها با هم همپوشانی کنند چه می بینید؟
نور چراغ قوه ی قرمز و سبز را روی صفحه بتابانید و آنها را روی هم قرار دهید. با خط کش فاصله ی میان منبع نور قرمز تا صفحه را اندازه بگیرید. خط کش را در همین وضعیت نگه دارید. سپس خودکار را به صورت عمودی درست بالای خط کش میان چراغ قوه و صفحه نگه دارید و به سایه های روی صفحه نگاه کنید. سایه ای که روی صفحه در تماس با خط کش است چه رنگی است؟ می توانید دلیل این موضوع را توضیح دهید؟ اکنون انتهای خط کش را از منبع نور قرمز به منبع نور سبز ببرید. موقعیت خودکار نسبت به خط کش در این شرایط چگونه است؟
می توانید از کاغذهایی با رنگ های متفاوت برای صفحه ی زمینه استفاده کنید. با این کار رنگ سایه ها چه تغییری می کند؟ همچنین می توانید رنگ نور چراغ قوه ها را تغییر دهید و نتایج را بررسی کنید.
مشاهده و نتیجه گیری:
با ترکیب رنگ ها چه تعداد سایه های رنگی مختلف ساختید؟ این فعالیت علمی مثالی از ترکیب رنگ افزایشی است. بدین معنا که با ترکیب دو یا سه پرتو نور رنگ جدیدی ایجاد می کنید. بسیاری از تلویزیون ها و مانیتورهای کامپیوتر بر همین مبنا رنگ های مختلف را تنها با استفاده از سه رنگ اصلی قرمز، آبی و سبز تولید می کنند.
اگر تنها یک نور رنگی به صفحه بتابد (قرمز، آبی یا سبز) رنگ دایره ی تشکیل شده روی کاغذ نیز همان خواهد بود. با نگه داشتن خودکار میان منبع نور و صفحه یک سایه ی سیاه ایجاد می شود. برای درک مفهوم سایه لازم است بدانید که نور در مسیر مستقیم حرکت می کند. با متصل کردن منبع نور به سایه ی روی صفحه توسط خط کش این موضوع را متوجه شده اید. احتمالاً متوجه شده اید که خودکار همیشه روی خطی مشترک با خط کش قرار دارد. بنابراین سایه ی روی صفحه دقیقاً در همان جایی تشکیل می شود که خودکار جلوی نور منبع را سد می کند. با ترکیب منابع نوری، رنگ تشکیل شده روی دیوار تغییر می کند.
هر ترکیب خاص به طور متفاوتی سلول های مخروطی چشم را تحریک می کند و بسته به سیگنال هایی که این سلول ها به مغز ارسال می کنند رنگی متفاوت شناسایی می شود. ترکیب دو رنگ قرمز و سبز، زرد است. قرمز و آبی تشکیل رنگ صورتی می دهند و آبی و سبز رنگ فیروزه ای را ایجاد می کنند. تمام این رنگ ها ثانویه هستند زیرا هر کدام حاصل ترکیب دو رنگ اصلی اند. روشی مناسب برای نشان دادن تمام رنگ های اولیه، ثانویه و رنگ های مرتبه ی سوم با استفاده از سه رنگ آبی، قرمز و سبز هم پوشانی بخشی از این سه رنگ با هم بر روی صفحه است.
هنگامی که خودکار را میان دو رنگ ترکیب شده و صفحه نگه می دارید، دو سایه هر کدام با رنگ یکی از منابع نور مشاهده می-کنید. دلیل آن است که نور در خط مستقیم حرکت می کند و اگر آزمایش تکمیلی را انجام داده باشید، مشاهده کرده اید که اگر خودکار را به طور مستقیم روی خط متصل کننده ی منبع نور قرمز و دیوار توسط خط کش نگه دارید، سایه ی تشکیل شده سبز خواهد بود. بدان معنا که خودکار جلوی نور قرمز را گرفته است و سایه تشکیل شده است. با این حال هنگامی که خط کش را از منبع نور سبز به صفحه می گیرید، متوجه می شوید که خودکار جلوی نور سبز را نمی گیرد و در نتیجه سایه سبز دیده می شود. با اضافه کردن رنگ سوم، حاصل رنگ سفید خواهد بود. چشم انسان هنگامی رنگ سفید را می بیند که تمام سلول های مخروطی به یک اندازه تحریک شوند. با ترکیب سه نور چراغ قوه های رنگی نیز همین اتفاق می افتد.
منبع: Scientific American
