مقدمه:
آیا تا به حال جسمی را با ذره‌بین نگاه کرده‌اید؟ آیا دقت کرده‌اید که در یک استخر جسمی که زیر آب است با زمانی که روی آب است بسیار متفاوت به نظر می‌رسد؟ در این فعالیت علمی شما در مورد این مسائل نکاتی خواهید آموخت. در اینجا قصد داریم نور را خم کنیم، حروف را درشت کنیم و با قطره‌های آب کارهای جالبی انجام دهیم؛ در عین حال نیز اطلاعاتی در مورد نحوه‌ی کار عدسی‌ها کسب خواهیم کرد.
عدسی‌ها مولفه‌ی اصلی عینک‌ها، لنزهای تماسی، دوربین‌های دوچشمی، تلسکوپ‌ها و بسیاری ابزار دیگر هستند. در این فعالیت شما می‌توانید در خانه یک ذره‌بین بسازید!

پیش‌زمینه:
دلیل دیده شدن یک جسم توسط چشمان ما این است که پرتوهای نور منعکس‌شده از جسم به چشم ما می‌تابد و تصویری از جسم در شبکیه‌ی چشم ما تشکیل می‌شود. سیگنال‌هایی که به مغز می‌رسد تصویر جسم را بازسازی می‌کند.
پرتوی نوری که از یک جسم بازتاب می‌شود معمولاً در یک خط مستقیم حرکت می‌کند. اما اگر در این مسیر یک ماده‌ی شفاف مانند شیشه یا آب وجود داشته باشد قضیه متفاوت خواهد بود. اگر پرتوی نوری که در هوا بوده است وارد چنین موادی شود، جهت حرکتش عوض می‌شود و خم می‌شود. همچنین در ادامه زمانی که نور از این مواد خارج می‌شود نیز دچار خمیدگی می‌شود. درنتیجه، تصویری که در ذهن شما از یک جسم ایجاد می‌شود بسته به اینکه جهت حرکت نور چگونه تغییر کند متفاوت خواهد بود. مغز انسان قادر به تشخیص این خمیدگی‌ها نیست و بر این قاعده عمل می‌کندکه تمام پرتوهای نور رسیده به چشم در خط مستقیم حرکت کرده‌اند. نتیجه آن است که تصویری متفاوت با جسم در این حالت‌ها در مغز تشکیل می‌شود.
عدسی‌ها با استفاده از این خمیدگی‌ها اجسام را بزرگتر، کوچکتر، نزدیکتر یا دورتر از واقعیت می‌کنند. عدسی محدب پرتوهای نور را به سمت داخل منحرف می‌کند و در نتیجه جسم بزرگتر یا نزدیکتر به نظر می‌رسد. عدسی مقعر پرتوهای نور را به سمت بیرون منحرف می‌کند و باعث می‌شود جسم کوچکتر یا دورتر به نظر بیاید. عدسی مسطح نیز هیچ انحرافی در پرتوهای نور ایجاد نمی-کند و جسم همانطور که در واقعیت است به نظر می‌آید.

مواد و وسایل لازم:
یک صفحه‌ی روزنامه
دو خط‌کش با اندازه‌های سیستم متریک (ترجیحاً با نشانه‌گذاری تیره)
یک فیلم شفاف یا طلق
یک لیوان شیشه‌ای حاوی آب
قطره‌چکان (اختیاری)
یک تلفن همراه دوربین‌دار (اختیاری)
یک لیوان پلاستیکی شفاف کوچک (اختیاری)

آماده‌سازی:
یک محیط کار ضد آب برای انجام آزمایش در نظر بگیرید.
یک مقاله در یک روزنامه با فونت ریز انتخاب کنید. می‌توانید با خط‌کش ارتفاع حروف آن را اندازه بگیرید، باید چند میلیمتر ارتفاع داشته باشد.

روش‌ کار:

فیلم شفاف را روی صفحه‌ی روزنامه بگذارید.
یک قطره آب در وسط این فیلم ایجاد کنید. برای این کار با استفاده از قطره‌چکان یا انگشت خود دو یا سه قطره آب روی فیلم بریزید و آنها را با هم ادغام کنید تا یک قطره‌ی بزرگتر تشکیل شود.
این قطره را بررسی کنید. آیا سطح بالای آن صاف است یا خمیده به بیرون یا درون؟
فیلم شفاف را طوری روی صفحه‌ی روزنامه تکان دهید که قطره بر روی حروف کوچکی که در نظر داشتید قرار بگیرد.  
یک چشم خود را ببندید و با چشم دیگر از بالا به حروفی که زیر قطره قرار دارند نگاه کنید. آنها را با حروف کناری که زیر قطره نیستند مقایسه کنید. آیا هم اندازه به نظر می‌رسند یا بزرگتر یا کوچکتر هستند؟
حال با دو دست فیلم شفاف را به آرامی بلند کنید و در فاصله‌ی نیم اینچی از صفحه‌ی روزنامه نگه دارید.
در همین حالت یک چشم خود را ببندید و با چشم دیگر از بالا به حروفی که زیر قطره قرار دارند نگاه کنید. آیا در این حالت اندازه‌ی حروف متفاوت از حالتی است که فیلم شفاف روی روزنامه قرار داشت؟ با دور کردن فیلم شفاف از صفحه‌ی روزنامه اندازه‌ی حروف چه تفاوتی می‌کند؟
در حالی که یکی از چشمانتان بسته است و با چشم دیگر از بالا به حروف نگاه می‌کنید، فیلم شفاف را بالا و پایین ببرید. با این کار اندازه‌ی حروف چه تغییری می‌کند؟ به نظر شما دلیل این اتفاق چیست؟
برای اندازه‌گیری بزرگ‌نمایی قطره‌ی آب، یک خط‌کش زیر فیلم شفاف بر روی سطح کار خود و یک خط‌کش دیگر روی فیلم شفاف در کنار قطره بگذارید. مراقب باشید که خط‌کش به قطره برخورد نکند.
فیلم شفاف به همراه قطره‌ی آب و خط‌کش روی آن را به اندازه‌ی ۱.۳ سانتیمتر بالا ببرید و سعی کنید از داخل قطره به خط-کشی که روی سطح کار خود قرار داده‌اید نگاه کنید و اندازه‌ی یک میلیمتر از خط‌کش پایینی را بخوانید. (برای بلند کردن فیلم شفاف به همراه قطره و خط‌کش احتمالاً نیاز به کمک خواهید داشت.) یک میلیمتر از خط‌کش پایینی چند میلیمتر به نظر می-رسد؟ این عدد میزان بزرگ‌نمایی قطره را نشان می‌دهد.
بزرگ‌نمایی قطره در فواصل بیشتر را نیز اندازه‌گیری کنید. آیا با تغییر فاصله بزرگ‌نمایی قطره عوض می‌شود؟ آیا راهی وجود دارد که بتوان بزرگ‌نمایی قطره را بسیار زیاد کرد؟
این آزمایش را یک بار دیگر با یک قطره‌ی بزرگتر انجام دهید. انحنای بالای قطره با افزایش ابعاد آن چگونه عوض می‌شود؟ آیا قطره‌های بزرگتر بزرگ‌نمایی بیشتری دارند؟

آزمایش‌های تکمیلی:
به نظر شما بیشترین بزرگ‌نمایی در چه ابعاد قطره و چه فاصله‌ای از روزنامه رخ می‌دهد؟ اگر به جای خطوط روزنامه یک حشره‌ی کوچک را مورد بررسی قرار بدهید، همین شرایط را برای قطره‌ی آب انتخاب خواهید کرد؟
داخل خانه یا در باغچه با این قطره به چیزهای مختلف نگاه کنید. اجسام چگونه به نظر می‌رسند؟
شما با استفاده از قطره‌ی آب یک ذره‌بین ساختید که با آن اجسام را بزرگتر می‌بینید. به نظر شما اگر از یک لایه آب ضخیم‌تر مثلاً یک فنجان آب به اجسام نگاه کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ برای آزمایش این مسئله، یک لیوان پلاستیکی شفاف که کف آن صاف باشد پیدا کنید. برای اطمینان از اینکه لیوان پلاستیکی خود به عنوان عدسی عمل نمی‌کند آن را روی یک خط از مطلب روزنامه بگذارید و از داخل لیوان به روزنامه نگاه کنید. آیا خط نوشته صاف به نظر می‌رسد؟ آیا ضخامت آن با حالتی که لیوان را برمی‌دارید یکسان است؟ اگر اینطور نیست یک لیوان دیگر انتخاب کنید. به نظرتان این مسئله که خود لیوان به عنوان عدسی عمل کند چه اهمیتی دارد؟ وقتی که لیوان مورد نظر را پیدا کردید، داخل آن به ارتفاع ۱.۳ سانتیمتر آب بریزید و از بالا از داخل لیوان به حروف روی روزنامه نگاه کنید. ظاهر حروف به چه شکل است؟ آیا با تغییر ارتفاع لیوان حروف تغییری می‌کنند؟ آیا می‌توانید بزرگ‌نمایی را در این حالت محاسبه کنید؟ توجه داشته باشید که بزرگ‌نمایی کوچکتر از یک به این معناست که جسم کوچکتر از آنچه هست به نظر می‌رسد. مثلاً بزرگ‌نمایی ۰.۵ یعنی جسم نصف آن چیزی که در واقعیت هست به نظر می‌آید.

ابزارهای اپتیکی اغلب ترکیبی از چند عدسی هستند. حال می‌توانید ترکیب عدسی قطره‌ای و لیوانی خود را مورد بررسی قرار دهید. برای این کار می‌توانید طلق شفاف با قطره‌ی روی آن را بالای لیوان بگذارید و از بالا به صفحه‌ی روزنامه نگاه کنید. همچنین می‌‌توانید از یک نفر کمک بگیرید تا طلق با قطره‌ی آب را بالای صفحه‌ی روزنامه نگه دارد و شما نیز لیوان شفاف را بالای آن بگیرید و از بالا به صفحه‌ی روزنامه نگاه کنید. آیا می‌توانید در یک ارتفاع خاص بزرگ‌نمایی همه‌ی حالت‌ها (جدا و ترکیبی) را اندازه‌گیری کنید؟ اگر این کار را برای ارتفاع‌های مختلف انجام دهید ممکن است بتوانید به یک فرمول کلی برسید.
به نظر شما مایعات دیگر مثلاً روغن، سرکه یا سویا سس نیز اثر بزرگ‌نمایی دارند؟ می‌توانید این مسئله را بررسی کنید.

مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت باید مشاهده کرده باشید که اجسام از داخل قطره‌ی آب بزرگتر به نظر می‌رسند. سطح بالایی قطره‌ی آب انحنایی به بیرون دارد و یک گنبد تشکیل می‌دهد. این انحنای به بیرون یا محدب، پرتوهای نور را به سمت داخل خم می‌کند. نتیجه یک تصویر بزرگتر از جسم است که بر روی شبکیه‌ی چشم تشکیل می‌شود و جسم بزرگتر از آنچه هست به نظر می‌رسد.
هرچه قطره کوچکتر باشد، انحنای بالای آن بیشتر است و خمیدگی بیشتری در پرتوهای نور ایجاد می‌کند که نتیجه در بزرگنمایی بیشتر دارد. همچنین فاصله‌ی قطره تا صفحه‌ی روزنامه و تا چشمان شما بر روی بزرگ‌نمایی تأثیرگذار است. با این حال به دلیل پدیده‌ای به نام اثر مویینگی لایه‌ی آبی که در لیوان قرار دارد سطحی با خمیدگی کم به سمت داخل دارد. درنتیجه آب داخل لیوان به عنوان یک عدسی مقعر عمل می‌کند که پرتوهای نور را به سمت بیرون خم می‌کند؛ درنتیجه حروف روزنامه از داخل این لیوان کوچکتر از آنچه هستند به نظر می‌آیند. با ترکیب کردن چند عدسی، بزرگ‌نمایی کلی جمع بزرگ‌نمایی هر کدام از عدسی‌هاست
هر مایع شفافی به صورت عدسی عمل می‌کند. تا زمانی که سطح بالایی و پایینی قطره یا لایه‌ی آب با هم موازی نباشند، عدسی ظاهر جسم را عوض خواهد کرد. همچنین بسته به مایعی که استفاده می‌شود، بزرگ‌نمایی عدسی‌ها متفاوت خواهد بود.

منبع:

Magnifying effect of a water drop

منابع مفيد:

ذره بين قوي

بزرگنمايي

Simple Magnifier

Drop Magnifier