مقدمه:

آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که جهان بدون رنگ چگونه است؟ اکثر ما انسان‌ها رنگ را موضوعی مسلم در جهان می‌دانیم زیرا همه جا رنگی است، دریای آبی، چمن سبز، گل‌های رنگارنگ و غیره. چشمان ما قادر به تشخیص ده میلیون رنگ مختلف است! اما منشأ این رنگ‌ها چیست؟ چشمان ما چگونه این همه رنگ را تشخیص می‌دهد؟ با کمک سایه‌ها پاسخ این سوالات را خواهیم داد. سپس خواهید توانست با نور نقاشی بکشید و رنگ‌هایی با ترکیب نورهای قرمز، سبز و آبی بسازید.

پیش‌زمینه:

دید رنگی قرن‌ها محققان را مجذوب خود کرده است. اساس علمی پشت رنگ این است که نور مرئی طول موجی در محدوده‌ی ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر دارد. اگر نور بر یک شیء بتابد، آن جسم مقداری از نور را جذب و باقی آن را منعکس می‌کند. طول موج‌های منعکس شده به چشم شما می‌رسند و چشم رنگ این نور را تشخیص می‌دهد. اما چشم چگونه طول موج‌های مختلف را از هم تشخیص می‌دهد؟ برای این منظور، سلول‌های گیرنده‌ی رنگ خاصی در شبکیه‌ی چشم انسان‌ها وجود دارد که سلول‌های مخروطی نام دارند. سه نوع سلول مخروطی وجود دارد و هر نوع به طیف خاصی از طول موج واکنش نشان می‌دهد و در واقع به رنگی خاص حساس‌تر است (قرمز، سبز و آبی). هنگامی که نور به چشم ما می‌رسد، هر نوع از این سلول‌های مخروطی به طور متفاوتی تحریک می‌شوند. تفاوت سیگنال‌های مربوط به هر نوع سلول مخروطی به مغز این امکان را می‌دهد که طیف پیوسته‌ای از رنگ‌ها را تشخیص دهد. برای به دست آمدن رنگ‌های مختلف باید سه رنگ اصلی با نسبت‌های متفاوت با هم ترکیب شوند.

احتمالاً با رنگ‌های اصلی آشنا هستید. این رنگ‌ها می‌توانند با هم ترکیب شوند و طیف گسترده‌ای از رنگ‌های دیگر را ایجاد کنند. ترکیب رنگ‌ها با دو روش ترکیبی کاهشی یا افزایشی امکان‌پذیر است. ترکیب رنگ افزایشی زمانی اتفاق می‌افتد که دو یا چند پرتو نور با رنگ مختلف با هم تداخل پیدا می‌کنند، روشی که در بسیاری از نمایشگرهای الکترونیکی کاربرد دارد. ترکیب رنگ کاهشی هنگامی رخ می‌دهد که نور از فیلترهای رنگی عبور کند که هر کدام بخشی از طول موج نور اصلی را جذب می‌کنند یا کاهش می‌دهند. رنگ‌های اصلی معمول مورد استفاده در ترکیب رنگ افزایشی سه رنگ قرمز، سبز (به جای زرد) و آبی هستند (طیف رنگ‌هایی که سه نوع سلول مخروطی چشم بیشتر به آنها حساس هستند). با ترکیب آنها سه رنگ ثانویه و یک رنگ سوم ایجاد می‌شود. چراغ قوه‌هایتان 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 قوه‌ی کوچک با شدت نور یکسان

 سلفون آبی، قرمز و سبز

 سه عدد کش لاستیکی

 خودکار

 جعبه‌ی مقوایی

 خط‌کش یا متر اندازه‌گیری

 یک نوار پهن کاغذی با طول پنج تا شش سانتیمتر (اختیاری)

آماده‌سازی:

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 قوه‌ها قرار دهید و دور آن را با کش لاستیکی محکم کنید تا تکه‌ها 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 چراغ‌های داخل اتاق را خاموش کنید. (برای گرفتن نتیجه‌ی مناسب اتاق باید کاملاً تاریک باشد.)

روش کار:

چراغ‌ قوه‌ی قرمز را روشن کنید. نور آن را به کاغذ سفید بتابانید. چه رنگی روی صفحه‌ی سفید مشاهده می‌کنید؟

 در حالی که چراغ قوه‌ روشن است آن را روی جعبه‌ی مقوایی بگذارید. فاصله‌ی چراغ قوه تا صفحه را طوری تنظیم کنید که یک دایره‌ی نورانی کامل روی صفحه‌ی سفید ببینید. حال خودکار را به صورت عمودی میان چراغ قوه و صفحه‌ی سفید نگه دارید. در این حالت روی صفحه چه می‌بینید؟ آیا سایه‌ی تشکیل شده رنگ خاصی دارد؟

 خودکار را در همان وضعیت نگه دارید. حال با خط‌کش فاصله‌ی مرکز نورانی چراغ قوه تا سایه‌ی تشکیل شده روی کاغذ سفید را اندازه بگیرید. خودکار در این میان در کجا قرار دارد؟

 چراغ قوه‌ی 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 قوه‌ها روی صفحه‌ی سفید چگونه به نظر می‌رسد؟ آیا رنگ سایه‌ها با تغییر رنگ نور چراغ قوه عوض می‌شود؟ آیا موقعیت خودکار در این سه حالت ثابت است؟

 حال چراغ قوه‌ی قرمز و سبز را روشن کنید. دو چراغ قوه را کنار هم طوری روی جعبه‌ی مقوایی قرار دهید که هر دو رو به صفحه‌ی سفید باشند. دقت داشته باشید که هر دو چراغ قوه باید دایره‌هایی هم اندازه روی صفحه تشکیل دهند. حال چراغ قوه‌ی قرمز را طوری تکان دهید که دایره‌ی قرمز با دایره‌ی سبز روی صفحه هم‌پوشانی پیدا کند. پس از هم‌پوشانی این دو چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا رنگ سبز تغییر می‌کند؟ اکنون چه رنگی روی صفحه می‌بینید؟

 در حالتی که دو نور سبز و قرمز همچنان هم‌پوشانی دارند، خودکار را به صورت عمودی میان چراغ قوه‌ها و صفحه نگه دارید. آیا سایه‌ای از خودکار روی صفحه می‌بینید؟ سایه‌ها چه تعداد و چه رنگی هستند؟

 به جای چراغ قوه‌ی سبز چراغ قوه‌ی آبی را قرار دهید. موقعیت دو چراغ قوه را طوری تنظیم کنید که دایره‌های آبی و قرمز هم-پوشانی داشته باشند. آیا ترکیب آبی و قرمز رنگ جدیدی ایجاد می‌کند؟

 مجدداً خودکار را به صورت عمودی میان چراغ قوه‌ها و صفحه‌ی سفید نگه دارید. این بار چند سایه می‌بینید؟ رنگ سایه‌ها تغییر کرده است؟

 حال به جای چراغ قوه‌ی قرمز چراغ قوه‌ی سبز را قرار دهید. بار دیگر دایره‌های رنگی را در صفحه روی هم قرار دهید. این بار چه رنگی می‌بینید؟ آیا رنگی بسیار متفاوت با سبز و آبی تشکیل شده است؟

 در انتها، سه چراغ قوه‌ی سبز، آبی و قرمز را با هم روی جعبه‌ی 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 می‌کند؟

 خودکار خود را به صورت عمودی میان سه چراغ قوه و صفحه‌ی سفید نگه دارید. روی صفحه چه مشاهده می‌کنید؟ چه تعداد سایه روی صفحه تشکیل شده است؟ رنگ آنها چیست؟ به نظرتان دلیل رنگ هر سایه چیست؟

آزمایش‌های تکمیلی:

در حالی که سه چراغ قوه روشن هستند و یک دایره‌ی واحد روی صفحه تشکیل داده‌اند، سعی کنید با استفاده از اجسامی پهن‌تر از خودکار تشکیل سایه بدهید، مثلاً یک نوار کاغذی پهن. در حالی که نوار کاغذی را میان چراغ قوه‌ها و صفحه نگه داشته‌اید، فاصله‌ی میان جسم و صفحه را تغییر دهید. با نزدیک کردن جسم به صفحه آیا تعداد سایه‌ها و رنگ‌های روی صفحه تغییر می-کند؟ چه تعداد رنگ می‌توانید با این روند ایجاد کنید؟

 هر سه چراغ قوه را رو به صفحه روی جعبه‌ی مقوایی قرار دهید. این بار طوری این کار را انجام دهید که تنها قسمتی از دایره‌ها با هم هم‌پوشانی داشته باشند. در محل‌های هم‌پوشانی چه رنگ‌هایی مشاهده می‌کنید؟ در صورتی که تمام دایره‌ها با هم همپوشانی کنند چه می‌بینید؟

 نور چراغ قوه‌ی قرمز و سبز را روی صفحه بتابانید و آنها را روی هم قرار دهید. با خط‌کش فاصله‌ی میان منبع نور قرمز تا صفحه را اندازه بگیرید. خط‌کش را در همین وضعیت نگه دارید. سپس خودکار را به صورت عمودی درست بالای خط‌کش میان چراغ قوه و صفحه نگه دارید و به سایه‌های روی صفحه نگاه کنید. سایه‌ای که روی صفحه در تماس با خط‌کش است چه رنگی است؟ می توانید دلیل این موضوع را توضیح دهید؟ اکنون انتهای خط‌کش را از منبع نور قرمز به منبع نور سبز ببرید. موقعیت خودکار نسبت به خط‌کش در این شرایط چگونه است؟

 می‌توانید از کاغذهایی با رنگ‌های متفاوت برای صفحه‌ی زمینه استفاده کنید. با این کار رنگ سایه‌ها چه تغییری می‌کند؟ همچنین می‌توانید رنگ نور چراغ قوه‌ها را تغییر دهید و نتایج را بررسی کنید.

مشاهده و نتیجه‌گیری:

با ترکیب رنگ‌ها چه تعداد سایه‌های 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 می‌کنید. بسیاری از تلویزیون‌ها و مانیتورهای کامپیوتر بر همین مبنا رنگ‌های مختلف را تنها با استفاده از سه رنگ اصلی قرمز، آبی و سبز تولید می‌کنند.

اگر تنها یک نور رنگی به صفحه بتابد (قرمز، آبی یا سبز) رنگ دایره‌ی تشکیل شده روی کاغذ نیز همان خواهد بود. با نگه داشتن خودکار میان منبع نور و صفحه یک سایه‌ی سیاه ایجاد می‌شود. برای درک مفهوم سایه لازم است بدانید که نور در مسیر مستقیم حرکت می‌کند. با متصل کردن منبع نور به سایه‌ی روی صفحه توسط خط‌کش این موضوع را متوجه شده‌اید. احتمالاً متوجه شده‌اید که خودکار همیشه روی خطی مشترک با خط‌کش قرار دارد. بنابراین سایه‌ی روی صفحه دقیقاً در همان جایی تشکیل می‌شود که خودکار جلوی نور منبع را سد می‌کند. با ترکیب منابع نوری، رنگ تشکیل شده روی دیوار تغییر می‌کند.

هر ترکیب خاص به طور متفاوتی سلول‌های مخروطی چشم را تحریک می‌کند و بسته به سیگنال‌هایی که این سلول‌ها به مغز ارسال می کنند رنگی متفاوت شناسایی می‌شود. ترکیب دو رنگ قرمز و سبز، زرد است. قرمز و آبی تشکیل رنگ صورتی می‌دهند و آبی و سبز رنگ فیروزه‌ای را ایجاد می‌کنند. تمام این رنگ‌ها ثانویه هستند زیرا هر کدام حاصل ترکیب دو رنگ اصلی‌اند. روشی مناسب برای نشان دادن تمام رنگ‌های اولیه، ثانویه و رنگ‌های مرتبه‌ی سوم با استفاده از سه رنگ آبی، قرمز و سبز هم‌پوشانی بخشی از این سه رنگ با هم بر روی صفحه است.

هنگامی که خودکار را میان دو رنگ ترکیب شده و صفحه نگه می‌دارید، دو سایه هر کدام با رنگ یکی از منابع نور مشاهده می-کنید. دلیل آن است که نور در خط مستقیم حرکت می‌کند و اگر آزمایش تکمیلی را انجام داده باشید، مشاهده کرده‌اید که اگر خودکار را به طور مستقیم روی خط متصل کننده‌ی منبع نور قرمز و دیوار توسط خط‌کش نگه دارید، سایه‌ی 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 خط‌کش را از منبع نور سبز به صفحه می‌گیرید، متوجه می‌شوید که خودکار جلوی نور سبز را نمی‌گیرد و در نتیجه سایه سبز دیده می‌شود. با اضافه کردن رنگ سوم، حاصل رنگ سفید خواهد بود. چشم انسان هنگامی رنگ سفید را می‌بیند که تمام سلول‌های مخروطی به یک اندازه تحریک شوند. با ترکیب سه نور چراغ قوه‌های رنگی نیز همین اتفاق می‌افتد.

منبع:

Scientific American

منابع مفید:

نورزایی زیستی 

چشم

اثر تیندال

بازی با سایه

تشخیص رنگها و اثر استروپ

منشا رنگ ها در جهان زنده

نور: موج یا ذره؟

کروماتوگرافی کاغذی

هنرمندی که عینک های اصلاح مور رنگی تست می کند!

یاخته مخروطی

livescience.com

Build your own colored shadows

Seeing Color