خطای دید با شمع

مقدمه:

آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده اید که چرا وجود آینه در یک اتاق باعث می شود اتاق بزرگتر به نظر برسد؟ آینه وسیله ای بسیار معمول در خانه ی همه ی ماست و به ندرت در مورد آن فکر می کنیم. آینه ها به نحوی بسیار عالی جهان سه بعدی ما را درون خود مجدداً تولید می کنند، به طوری که گاهی به این باور می رسیم که جهانی سه بعدی در پشت آینه وجود دارد. البته می دانیم که این تنها یک تصور است، اما مغز ما چگونه فریب این بازتاب ها را می خورد؟ انجام یک فعالیت علمی ساده با استفاده از شمع نحوه ی فریب خوردن مغز در این مورد را به ما نشان خواهد داد.

پیش زمینه:

اجسام نورانی به دو گروه کلی تقسیم می شوند: اشیای نورانی (مانند صفحه نمایش کامپیوتر شما) که از خود نور دارند و اشیای روشن شده (برای مثال صفحه کلید کامپیوترتان) که نور تابیده شده به خود توسط منابع دیگر را منعکس می کنند. چشمان شما اشیا را با تشخیص نور ذاتی جسم یا نور منعکس شده از آن می بیند و در اغلب موارد این نور باید مسیری مستقیم تا چشمان شما طی کند. به بیان دیگر برای دیدن اشیا باید خطی بدون مانع دید میان چشمان شما و اجسام وجود داشته باشد.

آینه ها و سایر سطوح با بازتابندگی بسیار زیاد یک استثنای معمول در این قاعده هستند. بیشتر آینه ها از طریق لایه بندی یک فلز بازتابنده در پشت یک ورق از شیشه ی شفاف ساخته می شوند. از آنجا که این زمینه بسیار بازتابنده است، ایجاد تصویر می کند (شبیه سازی ظاهری اجسام قابل مشاهده). این نوع تصویر می تواند فریبنده باشد زیرا موقعیت ظاهری آن با موقعیت دقیق و فیزیکی جسم ایجاد کننده ی آن تصویر مطابقت ندارد. برای مثال می توانید تصویر یک صندلی داخل آینه را با خود صندلی در دنیای واقعی مقایسه کنید (اگر صندلی در خط دید شما قرار دارد.)

تصاویری که این آینه های به اصطلاح تخت ایجاد می کنند تصاویر مجازی نام دارند. این تصاویر مجازی هنگامی شکل می گیرند که اشعه های نور ساتع یا منعکس شده توسط یک جسم به نظر در جایی پشت آینه همگرا می شوند. برخی از سطوح بدون پوشش نقره ای پشت شان نیز می توانند به عنوان آینه عمل کنند. گیج کننده است، نه؟ نگران نباشید، قصد داریم در این فعالیت علمی تمام این مفاهیم را مورد بررسی عملی قرار دهیم. در اینجا ما با استفاده از یک سطح شفاف نحوه ی رد شدن و انعکاس نور از آن را بررسی می کنیم. بدین ترتیب با این کار با فضای واقعی و قابل مشاهده ی پشت سطح که در آن تصاویر مجازی تشکیل می شوند بیشتر در مورد نور خواهیم آموخت.

مواد و وسایل مورد نیاز:

دو شمع کوچک (وارمر)

کبریت یا فندک برای روشن کردن شمع ها (برای این کار کمک یک بزرگتر لازم است.)

ظرف سی دی به شکل زیر که سطحی شفاف و براق داشته باشد.

یک سطح تیره (می توانید این سطح را با پهن کردن یک تی شرت سیاه روی میز کارتان ایجاد کنید.)

چند وسیله ی خانگی یکسان به صورت جفت (مثلاً دو گیره ی کاغذ و ...) (اختیاری)

آماده سازی:

اتاقی برای کار در نظر بگیرید که با خاموش کردن چراغ ها کاملاً تاریک شود.

هنگامی که چراغ روشن است، سطح تیره ی خود را آماده کنید.

کاغذهای داخل ظرف سی دی را دربیاورید. (در صورتی که کاغذی داخل آن هست) بدین ترتیب اکنون در ظرف سی دی یک سطح شفاف وجود دارد.

هنگام روشن کردن شمع ها و کار با آنها بسیار مراقب باشید. (برای این کار کمک و نظارت یک بزرگتر لازم است.)

روش کار:

در حالی که چراغ اتاق روشن است ظرف سی دی را روی قسمت پایینی آن روی سطح تیره قرار دهید تا ظرف سی دی بایستد. درِ ظرف باید نود درجه با خود ظرف فاصله داشته باشد.

یک شمع خاموش را در سمتی از صفحه ی شفاف ظرف سی دی بگذارید که به شما نزدیک تر است. دقت کنید که حتماً باید بتوانید انعکاس آن را ببینید. تصویر منعکس شده ی شمع خاموش در کجا دیده می شود؟ به نظر شما دلیل آن چیست؟

شمع خاموش دوم را در طرف مقابل شمع اول (یعنی سمت دیگر صفحه ی شفاف ظرف سی دی) بگذارید. حال موقعیت آن را طوری تنظیم کنید که در محل تصویر منعکس شده ی شمع اول قرار بگیرد.

در حالی که از درون صفحه ی شفاف ظرف سی دی به شمع دوم نگاه می کنید موقعیت سر خود را کمی جا به جا کنید. آیا می-توانید انعکاس شمع اول را ببینید؟ آیا بازتاب شمع اول همواره روی شمع دوم واقع در سمت دیگر صفحه ی شفاف سی دی قرار دارد یا موقعیت آن تغییر می کند؟

حال از بالا نگاهی به جهت گیری ظرف سی دی و شمع ها بیندازید. به موقعیت دو شمع خوب دقت کنید. چه نکته ی خاصی در مورد موقعیت این دو شمع نسبت به صفحه ی شفاف ظرف سی دی وجود دارد؟

شمع اول را مقدار بسیار کمی از ظرف سی دی دور کنید. چه اتفاقی برای انعکاس آن می افتد؟

حال شمع دوم را طوری جابه جا کنید تا مطابق با تصویر شمع اول شود.

چراغ ها را خاموش کنید و شمعی که به شما نزدیک تر است را روشن کنید. به تصویر بازتابی نگاه کنید. چه می بینید؟

آزمایش های تکمیلی:

می توانید خطای دیدی از همین طریق برای یکی از دوستانتان ایجاد کنید. فقط دقت کنید که وی مراحل کار را نبیند تا دلیل ایجاد این خطای دید را نداند. دوست شما باید در سمتی از میز بایستد که شمع روشن به او نزدیک باشد. در این حالت فتیله ی شمع خاموش را با دستانتان لمس کنید و عکس العمل دوست خود را ببینید!

بدون آنکه به طور مستقیم به انعکاس ها نگاه کنید، می توانید از اشیایی به صورت جفت استفاده کنید و آنها را در دو طرف صفحه ی شفاف ظرف سی دی طوری قرار دهید که انعکاس ها بر هم منطبق شوند. کار با شمع خاموش در این حالت آسان تر است. راهنمایی: دو شمع نشان دادند که دو جسم باید در چه فاصله ای قرار بگیرند تا انعکاس شان بر هم منطبق شوند.

مشاهده و نتیجه گیری:

هنگامی که یکی از شمع ها را روشن می کنید و از صفحه ی شفاف سی دی آن سمت را می بینید، چشمان شما هم نور مستقیم از شمع خاموش را دریافت می کند و هم نور منعکس شده از شعله ی شمع روشن. این نور منعکس شده سبب ایجاد تصویری مجازی از شعله در پشت صفحه ی شفاف می شود. ما تصاویر مجازی را در پشت سطح منعکس کننده ای که آن را ایجاد کرده است می-بینیم، زیرا مغز ما به طور طبیعی نور رسیده از اشیای مرئی را در خطی مستقیم فرض می کند. نور شمع روشن توسط سطح آینه-ای منعکس می شود، اما مغز ما ترجیح می دهد این نور را به صورت مستقیم تفسیر کند و تصویری مجازی از جسم (شمع روشن) در پشت صفحه ی شفاف پلاستیکی (و ظاهراً دقیقاً روی موقعیت شمع خاموش پشت صفحه) تشکیل دهد. نور شمع روشن از پشت صفحه ی شفاف پلاستیکی به چشمان شما نمی رسد، (زیرا می دانیم نور مربوط به شمع روشن در این سمت صفحه است) اما چیزی که ما می بینیم این چنین به نظر نمی رسد.

دلیل این تداخل می تواند خاصیتی از نور به نام انطباق باشد؛ به این معنا که نور مرئی می تواند ترکیبی از چند منبع به طور همزمان باشد. اشعه های نور رسیده از شمع خاموش و پرتوهای بازتاب شده از شمع روشن بر روی هم منطبق می شوند. در شرایطی که یکی از منابع نور بسیار قوی تر از دیگری باشد تنها منبع قوی تر به وضوح قابل مشاهده است. با این توضیحات می توان متوجه شد چرا اجسامی که در تاریکی مرئی هستند (مانند ستارگان) در خورشید وضوح کمتری دارند یا اصلاً دیده نمی شوند.

هر سطح مقداری از نور را عبور می دهد و مقداری دیگر را منعکس می کند. در مورد مواد بسیار شفاف مانند شیشه تنها پنج درصد از نوری که به سطح برخورد می کند بازتاب می شود و ۹۵ درصد باقی مانده ی آن از ماده عبور می کند. هنگامی که در اتاق تاریک یکی از شمع ها را روشن می کنید، مقداری از نور ساتع شده از آن از صفحه ی شفاف ظرف سی دی عبور می کند و مقداری از آن نیز منعکس می شود. با وجود اینکه سطح شفاف ظرف شیشه تنها چیزی در حدود پنج درصد از نور شمع را منعکس می کند، این نور برای ایجاد تصویری از دو شعله در مقایسه با یک شعله و یک شمع خاموش کافی است.

منبع: Scientific American

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: نسرین صادقی