چشمههای نور نقطهای و گسترده: جهان را چگونه میبینیم؟
چشمه نور چیست و چگونه طبقهبندی میشود؟
هر جسمی که از خود نور تولید و تابش کند، یک چشمه نور[1] نامیده میشود. خورشید، شعله شمع، لامپ روشن و حتی کرم شبتاب همگی نمونههایی از چشمههای نور هستند. این چشمهها بر اساس اندازه ظاهریشان به دو گروه اصلی تقسیم میشوند: نقطهای و گسترده. این تقسیمبندی مطلق نیست و به فاصله ناظر از چشمه نور بستگی دارد.
| ویژگی | چشمه نور نقطهای | چشمه نور گسترده |
|---|---|---|
| تعریف | چشمهای که ابعاد آن در مقایسه با فاصلهاش از ما ناچیز است و مانند یک نقطه به نظر میرسد. | چشمهای که ابعاد مشخص و قابل تشخیصی دارد و نمیتوان آن را یک نقطه در نظر گرفت. |
| مثالهای آشنا | ستارههای درخشان در شب، نور چراغ قوه از فاصله بسیار دور، روزنه کوچک روی مقوای مقابل یک شمع. | لامپ روشن در اتاق، صفحه نمایش تلویزیون، خورشید (البته به دلیل فاصله بسیار زیاد، گاهی مانند نقطهای عمل میکند). |
| نحوه انتشار نور | پرتوهای نور به صورت شعاعی و در همه جهتها از یک نقطه منفرد منتشر میشوند. | از هر نقطه روی سطح چشمه، پرتوهای نور به همه سو تابش میکنند. در واقع یک چشمه گسترده از بینهایت چشمه نقطهای کوچک تشکیل شده است. |
| نوع سایه ایجاد شده | سایهای با مرز کاملاً واضح و مشخص (هسته سایه) ایجاد میکند. | معمولاً یک سایه با مرز محو ایجاد میکند که در اطراف آن منطقه نیمسایه تشکیل میشود. |
یک نکته جالب این است که یک چشمه نور میتواند بسته به شرایط، نقطهای یا گسترده به نظر برسد. مثلاً یک لامپ خیابانی وقتی درست زیر آن ایستادهاید، یک چشمه نور گسترده است. اما اگر از فاصله چند صد متری به آن نگاه کنید، مانند یک نقطه نورانی کوچک به نظر میرسد و تبدیل به یک چشمه نور نقطهای میشود.
از مفهوم تا آزمایش: ساخت چشمههای نور در خانه
درک این مفاهیم با یک آزمایش ساده و بدون نیاز به وسایل خاص کاملاً ممکن است. این آزمایش به شما کمک میکند تفاوت را به طور ملموس درک کنید و حتی بین این دو نوع چشمه نور تبدیل ایجاد کنید.
- یک چراغ قوه روشن را در نظر بگیرید. وقتی مستقیماً به آن نگاه میکنید، یک چشمه نور گسترده است (چون کل سطح شیشه آن نور میتاباند).
- یک ورق مقوای تیره بردارید و با نوک مداد یک سوراخ بسیار کوچک (در حد نوک سوزن) در مرکز آن ایجاد کنید.
- مقوا را در مقابل چراغ قوه روشن قرار دهید. حالا اگر به سوراخ کوچک روی مقوا نگاه کنید، تنها نوری که از آن روزنه باریک خارج میشود را میبینید. این روزنه دقیقاً مانند یک چشمه نور نقطهای عمل میکند.
با بزرگتر کردن سوراخ روی مقوا، دوباره یک چشمه نور گسترده خواهید داشت. این آزمایش ساده، رابطه جالب بین این دو نوع چشمه را نشان میدهد: هر چشمه نور گسترده را میتوان مجموعهای از چشمههای نور نقطهای بسیار ریز در نظر گرفت.
کاربردهای عملی در زندگی روزمره و طبیعت
شاید فکر کنید این مفاهیم فقط در کتاب علوم کاربرد دارند، اما آگاهی از آنها به توضیح پدیدههای زیبا و مهمی در اطراف ما کمک میکند.
تشکیل سایه مهمترین و واضحترین کاربرد است. وقتی در یک روز آفتابی قدم میزنید، سایه شما روی زمین مرز نسبتاً محوشدهای دارد. این به آن دلیل است که خورشید، با وجود فاصله زیاد، یک چشمه نور گسترده است. اما اگر زیر یک لامپ کوچک (که چشمهای تقریباً نقطهای است) بایستید، سایهتان لبههای بسیار تیز و واضحی خواهد داشت.
این تفاوت در خورشیدگرفتگی (کسوف) و ماهگرفتگی (خسوف) هم خود را نشان میدهد. در خورشیدگرفتگی، ماه که مانند یک جسم کدر عمل میکند، بین زمین و خورشید (چشمه نور گسترده) قرار میگیرد. در نتیجه، سایه ماه روی زمین تنها یک منطقه کوچک (هسته سایه) را کاملاً تاریک میکند و مناطق اطراف در نیمسایه قرار میگیرند و گرفتگی جزئی را تجربه میکنند.
حتی در نورپردازی داخلی خانه نیز از این اصول استفاده میشود. چراغهای کوچک نقطهای (مثل برخی چراغهای LED سقفی) برای ایجاد سایههای مشخص و نورپردازی تاکیدی روی یک شیء (مثل یک تابلو) به کار میروند. در مقابل، چراغهای بزرگ با پخشکنندههای مات (چشمههای گسترده)، نور ملایم و یکنواختی را در کل اتاق پخش میکنند و از ایجاد سایههای تند جلوگیری میکنند.
پاسخ به پرسشهای متداول
پاسخ: خیر. نقطهای یا گسترده بودن یک چشمه نور مطلق نیست و به فاصله ناظر از آن بستگی دارد. قاعده کلی این است: اگر ابعاد واقعی چشمه نور در مقایسه با فاصلهاش از ما بسیار کوچک به نظر برسد، نقطهای است و در غیر این صورت گسترده. مثال روشن آن ستارهها هستند؛ آنها کرههای عظیمالجثهای هستند، اما به دلیل فاصله بسیار زیاد، برای ما به شکل نقطهای نورانی دیده میشوند.
پاسخ: زیرا نور از نقاط مختلف سطح لامپ به جسم میتابد. برخی از این پرتوها توسط جسم کاملاً مسدود میشوند و منطقه هسته سایه (تاریک کامل) را ایجاد میکنند. اما پرتوهایی از قسمتهای کناری لامپ ممکن است فقط بخشی از جسم را بپوشانند و از کنارههای آن عبور کنند. این پرتوها منطقه نیمسایه را میسازند که تاریک است اما نه به کاملی منطقه مرکزی. همین امر باعث محو شدن لبههای سایه میشود.
پاسخ: این سوال پاسخ جالبی دارد! از دید ناظر زمینی، خورشید آنقدر دور است که اغلب در محاسبات نوری ساده به عنوان یک چشمه نور نقطهای در نظر گرفته میشود و همین باعث تشکیل سایههای نسبتاً واضح در روز میشود. اما در واقعیت، خورشید یک کره غولپیکر است. در پدیدههایی مانند خورشیدگرفتگی، وقتی با دقت به سایه ماه نگاه کنیم، متوجه میشویم که خورشید کاملاً نقطهای نیست و یک ناحیه نیمسایه وسیع اطراف سایه کامل ایجاد میکند. بنابراین، بسته به دقت مشاهده، میتوان آن را در جایگاه مرزی بین این دو دسته در نظر گرفت.
- چشمههای نور بر اساس اندازه ظاهری به دو دسته نقطهای (مانند ستاره دور) و گسترده (مانند لامپ نزدیک) تقسیم میشوند.
- این دستهبندی ثابت نیست و با تغییر فاصله ناظر میتواند عوض شود.
- چشمههای نقطهای سایههای تیز و واضح، و چشمههای گسترده سایههای با لبه محو و ناحیه نیمسایه ایجاد میکنند.
- یک چشمه گسترده را میتوان مجموعهای از چشمههای نقطهای ریز در نظر گرفت.
پاورقی
[1] چشمه نور (Light Source): هر جسمی که از خود نور تابش کند.
[2] پرتو نور (Light Ray): باریکترین مسیر ممکن انتشار نور که جهت آن را نشان میدهد.
[3] نیمسایه (Penumbra): منطقهای اطراف سایه کامل که تا حدی تاریک است و در پشت اجسامی که در مقابل چشمههای نور گسترده قرار میگیرند، تشکیل میشود.
[4] جسم کدر (Opaque Object): جسمی که نور از آن عبور نمیکند و باعث تشکیل سایه میشود.
