مفاهیم کلیدی: تصویر، تصویر مجازی، عبور، انعکاس، خطای دید
مشاهده علمی ۱۸۸
مقدمه:
آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که چرا وجود آینه در یک اتاق باعث می‌شود اتاق بزرگتر به نظر برسد؟ آینه وسیله‌ای بسیار معمول در خانه‌ی همه‌ی ماست و به ندرت در مورد آن فکر می‌کنیم. آینه‌ها به نحوی بسیار عالی جهان سه بعدی ما را درون خود مجدداً تولید می‌کنند، به طوری که گاهی به این باور می‌رسیم که جهانی سه بعدی در پشت آینه وجود دارد. البته می‌دانیم که این تنها یک تصور است، اما مغز ما چگونه فریب این بازتاب‌ها را می‌خورد؟ انجام یک فعالیت علمی ساده با استفاده از شمع نحوه‌ی فریب خوردن مغز در این مورد را به ما نشان خواهد داد.
پیش‌زمینه:
اجسام نورانی به دو گروه کلی تقسیم می‌شوند: 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 می‌کنند. چشمان شما اشیا را با تشخیص نور ذاتی جسم یا نور منعکس شده از آن می‌بیند 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.
آینه‌ها و سایر سطوح با بازتابندگی بسیار زیاد یک استثنای معمول در این قاعده هستند. بیشتر آینه‌ها از طریق لایه‌بندی یک فلز بازتابنده در پشت یک ورق از شیشه‌ی شفاف ساخته می‌شوند. از آنجا که این زمینه بسیار بازتابنده است، ایجاد تصویر می‌کند (شبیه سازی ظاهری اجسام قابل مشاهده). این نوع تصویر می‌تواند فریبنده باشد زیرا موقعیت ظاهری آن با موقعیت دقیق و فیزیکی جسم ایجاد کننده‌ی آن تصویر مطابقت ندارد. برای مثال می‌توانید 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 آینه‌های به اصطلاح تخت ایجاد می‌کنند تصاویر مجازی نام دارند. این تصاویر مجازی هنگامی شکل می‌گیرند که اشعه‌های نور ساتع یا منعکس شده توسط یک جسم به نظر در جایی پشت آینه همگرا می‌شوند. برخی از سطوح بدون پوشش نقره‌ای پشت‌شان نیز می‌توانند 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 نحوه‌ی رد شدن و انعکاس نور از آن را بررسی می‌کنیم. بدین ترتیب با این کار با فضای واقعی و قابل مشاهده‌ی پشت سطح که در آن تصاویر مجازی تشکیل می‌شوند بیشتر در مورد نور خواهیم آموخت.
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو شمع کوچک (وارمر)
کبریت یا فندک برای روشن کردن شمع‌ها (برای این کار کمک یک بزرگتر لازم است.)
ظرف سی دی به شکل زیر که سطحی شفاف و براق داشته باشد.
یک سطح تیره (می‌توانید این سطح را با پهن کردن یک تی شرت سیاه روی میز کارتان ایجاد کنید.)
چند وسیله‌ی خانگی یکسان به صورت جفت (مثلاً دو گیره‌ی کاغذ و ...) (اختیاری)
آماده‌سازی:
اتاقی برای کار در نظر بگیرید که با خاموش کردن چراغ‌ها کاملاً تاریک شود.
هنگامی که چراغ روشن است، سطح تیره‌ی 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 شمع‌ها 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 صفحهی شفاف ظرف سی دی بگذارید که به شما نزدیک‌تر است. دقت کنید که حتماً باید بتوانید انعکاس آن را ببینید. تصویر منعکس شده‌ی شمع خاموش در کجا دیده می‌شود؟ به نظر شما دلیل آن چیست؟
شمع خاموش دوم را در طرف مقابل شمع اول (یعنی سمت دیگر صفحهی شفاف ظرف سی دی) بگذارید. حال موقعیت آن را طوری تنظیم کنید که در محل تصویر منعکس شده‌ی شمع اول قرار بگیرد.
در حالی که از درون صفحهی شفاف ظرف سی دی به شمع دوم نگاه می‌کنید 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 صفحهی شفاف سی دی قرار دارد یا موقعیت آن تغییر می‌کند؟
حال از بالا نگاهی به جهت‌گیری ظرف سی دی و شمع‌ها بیندازید. به موقعیت دو شمع خوب دقت کنید. چه نکته‌ی خاصی در مورد موقعیت این دو شمع نسبت به صفحهی شفاف ظرف سی دی وجود دارد؟
شمع اول را مقدار بسیار کمی از ظرف سی دی دور کنید. چه اتفاقی برای انعکاس آن می‌افتد؟
حال شمع دوم را طوری جابه‌جا کنید تا مطابق با تصویر شمع اول شود.
چراغ‌ها را خاموش کنید و شمعی که به شما نزدیک‌تر است را روشن کنید. به تصویر بازتابی نگاه کنید. چه می‌بینید؟
آزمایش‌های تکمیلی:
می‌توانید 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 فتیله‌ی شمع خاموش را با دستانتان لمس کنید و عکس‌العمل دوست خود را ببینید!
بدون آنکه به طور مستقیم به انعکاس‌ها نگاه کنید، می‌توانید از اشیایی به صورت جفت استفاده کنید و آنها را در دو طرف صفحهی شفاف ظرف سی دی طوری قرار دهید که انعکاس‌ها بر هم منطبق شوند. کار با شمع خاموش در این حالت آسان‌تر است. راهنمایی: دو شمع نشان دادند که دو جسم باید در چه فاصله‌ای قرار بگیرند تا انعکاس‌شان بر هم منطبق شوند.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
هنگامی که یکی از شمع‌ها را روشن می‌کنید و از صفحهی شفاف سی دی آن سمت را می‌بینید، چشمان شما هم نور مستقیم از شمع خاموش را دریافت می‌کند و هم نور منعکس شده از شعله‌ی شمع روشن. این نور منعکس شده سبب ایجاد تصویری مجازی از شعله در پشت صفحهی شفاف می‌شود. ما تصاویر مجازی را در پشت سطح منعکس کننده‌ای که آن را ایجاد کرده است می-بینیم، زیرا مغز ما به طور طبیعی نور رسیده از اشیای مرئی را در خطی مستقیم فرض می‌کند. نور شمع روشن توسط سطح آینه-ای منعکس می‌شود، اما مغز ما ترجیح می‌دهد این نور را به صورت مستقیم تفسیر کند و تصویری مجازی از جسم (شمع روشن) در پشت صفحهی شفاف پلاستیکی (و ظاهراً دقیقاً روی موقعیت شمع خاموش پشت صفحه) تشکیل دهد. نور شمع روشن از پشت صفحهی شفاف پلاستیکی به چشمان شما نمی‌رسد، (زیرا می‌دانیم نور مربوط به شمع روشن در این سمت صفحه است) اما چیزی که ما می‌بینیم این چنین به نظر نمی‌رسد.
دلیل این تداخل می‌تواند خاصیتی از نور به نام انطباق باشد؛ به این معنا که نور مرئی می‌تواند ترکیبی از چند منبع به طور همزمان باشد. اشعه‌های نور رسیده از شمع خاموش و پرتوهای بازتاب شده از شمع روشن بر روی هم منطبق می‌شوند. در شرایطی که یکی از منابع نور بسیار قوی‌تر از دیگری باشد تنها منبع قوی‌تر به وضوح قابل مشاهده است. با این توضیحات می‌توان متوجه شد چرا اجسامی که در تاریکی مرئی هستند (مانند ستارگان) در خورشید وضوح کمتری دارند یا اصلاً دیده نمی‌شوند.
هر سطح مقداری از نور را عبور می‌دهد و مقداری دیگر را منعکس می‌کند. در مورد مواد بسیار شفاف مانند شیشه تنها پنج درصد از نوری که به سطح برخورد می‌کند بازتاب می‌شود و ۹۵ درصد باقی مانده‌ی آن از ماده عبور می‌کند. هنگامی که در اتاق تاریک یکی از شمع‌ها را روشن می‌کنید، مقداری از نور ساتع شده از آن از صفحهی شفاف ظرف سی دی عبور می‌کند و مقداری از آن نیز منعکس می‌شود. با وجود اینکه سطح شفاف ظرف شیشه تنها چیزی در حدود پنج درصد از نور شمع را منعکس می‌کند، این نور برای ایجاد تصویری از دو شعله در مقایسه با یک شعله و یک شمع خاموش کافی است.
منبع:
Scientific American
خطای دید - ویکی پدیا
منابع مفید:
بی نهایت بازتاب
آینه ها و تصویرها
نقص های تصویری
توهم بسازید!
تصاویز مجازی
Virtual Image
Plane Mirror