سایه و نیم سایه چگونه تشکیل می شوند؟ – به زبان ساده + تفاوت ها
سایه به زبان ساده به معنای نبودن نور است و زمانی تشکیل میشود که جسمی مسیر حرکت مستقیم نور را مسدود کند. اگر منبع نور ما گسترده یا بزرگ باشد، منطقه مرکزی کاملا تاریک سایه است و حاشیه نیمهروشن اطراف آن نیز نیمسایه نامیده میشود. در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا توصیح میدهیم سایه و نیم سایه چگونه تشکیل میشوند. سپس انواع چشمه نور، اجسام منیر و غیرمنیر، عوامل موثر بر اندازه سایهها و نقش سایه در شکلگیری کسوف و خسوف را توضیح خواهیم داد.
- یاد میگیرید سایهها و نیمسایهها چگونه تشکیل میشوند.
- تفاوت سایه و نیمسایه را خواهید شناخت.
- با انواع چشمه نور آشنا خواهید شد.
- میآموزید اگر جسم کدر، شفاف، نیمهشفاف یا بازتابنده باشد، سایه چگونه است.
- عوامل موثر بر اندازه سایه را خواهید دانست.
- نقش سایه و نیمسایه را در شکلگیری کسوف و خسوف خواهید آموخت.
سایه و نیم سایه چگونه تشکیل می شوند؟
سایه منطقه تاریکی است که در اثر مسدود شدن مسیر پرتوهای نور توسط یک جسم کدر یا نیمهشفاف ایجاد میشود. اگر چشمه یا منبع نور ما نقطهای باشد، فقط سایه ایجاد میشود. اما اگر منبع نور ما گسترده باشد، هم سایه داریم و هم نیمسایه. در این حالت تاریکترین بخش در مرکز سایه است، در حالی که لبههای بیرونی و روشنتر که در اطراف بخش مرکزی دیده میشوند، نیمسایه هستند.
دقت کنید تشکیل سایه و نیم سایه نتیجه انتشار نور به خط مستقیم است، به این معنی که نور روی خطوط راست حرکت میکند و نمیتواند برای پر کردن فضای پشت اجسام، در اطراف آنها خم شود. به همین علت تا زمانی که نور توسط یک جسم کدر (جسمی که از عبور نور جلوگیری میکند) مسدود نشود، به مسیر خود ادامه خواهد داد.
در برخورد با جسم کدر چون نور نمیتواند از این جسم عبور کرده و دور آن خم شود، پس از برخورد با جسم به عقب بازمیگردد. به این ترتیب با نرسیدن نور به پشت جسم، یک منطقه تاریک ایجاد میشود که به آن سایه میگوییم.
بنابراین تشکیل هر سایهای با داشتن این سه مورد امکانپذیر است:
- چشمه یا منبع نور: هر چیزی که نور تولید کند، مانند خورشید، چراغقوه یا لامپ.
- جسم مانع: هر جسمی که کدر (تمام نور را مسدود کند) یا نیمهشفاف باشد (بخشی از نور را مسدود کند).
- سطح یا پرده: هر سطحی مانند زمین، دیوار یا کف اتاق که تاریکی ناشی از نبود نور روی آن ظاهر شود.
یادگیری فیزیک نور با فرادرس
تشکیل سایه و نیم سایه با بخشی از علم فیزیک به نام فیزیک نور مرتبط است. نور و ویژگیهای آن موضوع فصل چهاردهم از کتاب علوم تجربی پایه هشتم است. سایر پدیدههای مرتبط با نور عبارتاند از بازتاب، شکست، تداخل و پراش. در فیزیک پایه دوازدهم نیز به برخی دیگر از موضوعات فیزیک نور از جمله ماهیت موجی آن پرداخته میشود. در ادامه فهرستی از فیلمهای آموزشی مرتبط برای شما تنظیم شده است:
- فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک فرادرس
- فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس
- فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم – مرور و حل تمرین فرادرس
- فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم – نکته و حل تست کنکور فرادرس
تفاوت سایه و نیم سایه چیست؟
اگر یک چشمه نور گسترده مانند خورشید یا یک لامپ معمولی داشته باشیم، دو ناحیه متمایز روی پرده ظاهر میشود، سایه و نیم سایه. سایه ویژگیهای زیر را دارد:
- تاریکترین بخش مرکزی است.
- در جایی تشکیل میشود که جسم تمام نور ارسالی از منبع را کاملا مسدود کرده باشد.
- هیچ نوری به این منطقه نمیرسد، بنابراین کاملا سیاه دیده میشود.
- اگر منبع نور نقطهای داشته باشیم، فقط سایه داریم.
در حالی که ویژگیهای نیمسایه عبارتاند از:
- بخش روشنتر و بیرونی سایه که اطراف سایه را احاطه کرده است.
- در جایی تشکیل میشود که جسم تنها بخشی از نور را مسدود کرده و برخی پرتوهای دیگر همچنان به آن منطقه میرسند.
- این بخش نسبت به مرکز سایه تاریکی کمتری دارد و لبههای آن معمولا محو و تار بنظر میرسد.
- اگر منبع نور گسترده داشته باشیم، علاوه بر سایه نیمسایه نیز داریم.
بنابراین اگر میخواهید سریعتر تشخیص دهید که با سایه مواجه هستید یا نیمسایه، این دو مورد را مقایسه کنید:
- میزان روشنایی: سایه کاملا تاریک است، در حالی که نیمسایه خاکستری و نیمهروشن است.
- نوع چشمه نور: سایه توسط هر دو منبع نور (نقطهای و گسترده) ایجاد میشود، در حالی که نیمسایه فقط توسط منبع گسترده تشکیل میشود.
نور چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
برای اینکه با مفهوم سایه و نیمسایه بهتر آشنا شویم، اولین قدم این است که نقش نور و ویژگیهای آن را در تشکیل این دو پدیده بشناسیم. وقتی به یک برگ نگاه میکنیم، میدانیم که رنگ آن سبز است، چون نور پس از برخورد با برگ به چشمان ما بازمیگردد و به ما میگوید که رنگ آن سبز است.
ویژگیهای مهم نور عبارتاند از:
- نور شکلی از انرژی است و مانند تمام انرژیها از یک منبع تولید میشود که در فیزیک به آن چشمه نور میگوییم.
- نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است که تنها بخش خاصی از فرکانس آن برای چشم انسان قابلمشاهده است.
- هر آنچه در اطراف خود میبینیم به دلیل وجود نور است.
- نور همیشه سریعترین مسیر را بین دو نقطه انتخاب میکند و به همین علت است که انتشار نور به خط مستقیم را داریم.
اگر تمایل دارید در مورد سایر ویژگیهای نور از جمله سرعت نور بیشتر بدانید، مطلب «سرعت نور چیست و چقدر است؟ – نحوه محاسبه به زبان ساده» از مجله فرادرس را مطالعه کنید. از بین این ویژگیها، حرکت نور در خط مستقیم است که با تشکیل سایهها و نیمسایهها مرتبط است. یکی از آزمایشهای معروف برای اثبات این ویژگی نور آزمایش لوله مستقیم و خمیده است. اگر سعی کنید به شعله شمعی از میان این دو نوع لوله نگاه کنید:
- وقتی از یک لوله کاملا صاف به شمع نگاه میکنیم، شعله به وضوح دیده میشود.
- اما اگر لوله را خم کنیم، شعله ناپدید میشود.
این موضوع دوباره تایید میکند که نور برای عبور از مسیر خمیده منحرف نمیشود.
انواع چشمه نور
قدم بعدی برای درک بهتر تفاوتهای سایه و نیم سایه این است که انواع چشمه نور را بشناسیم. منابع نور زیادی وجود دارند که بزرگترین آنها خورشید است. اگر بخواهیم منابع نور را از نظر طبیعی یا مصنوعی بودن طبقهبندی کنیم، فهرست زیر را خواهیم داشت:
- منابع نور طبیعی: این منابع به طور طبیعی در جهان وجود دارند و برای تولید نور به فناوری انسانی متکی نیستند.
- منابع نور مصنوعی: این منابع توسط انسان ساخته شدهاند و معمولا با تبدیل انرژیهای دیگر مانند برق یا سوختهای فسیلی نور تولید میکنند.
- لامپهای الکتریکی: مانند LED، لامپ رشتهای و مهتابی
- شمع و چراغهای نفتی
- صفحه نمایش: مانند گوشیهای هوشمند، تلویزیون و مانیتورها
اما در بررسی سایهها طبقهبندی مهمتری برای انواع چشمه نور داریم که به شکل زیر است:
- چشمه نور نقطهای: فقط سایه تکرنگ و تیز داریم.
- چشمه نور گسترده: هم سایه و هم نیمسایه داریم.
چشمه نور نقطه ای چیست؟
اگر منبع نور ما خیلی کوچک باشد مانند یک لامپ کوچک در فاصله خیلی خیلی دور از جسم یا یک سوراخ ریز که در مقابل نور لامپ قرار گرفته است، در این صورت فقط سایه تشکیل میشود. مرزهای این سایه کاملا مشخص و تند و تیز است. در نتیجه در این حالت چیزی به نام نیمسایه نداریم.
تصویر بالا یک نمونه چشمه نور نقطهای را نشان میدهد که پرتوهایی از نور را به سمت جسم ساطع کرده است. از بین این پرتوها تنها آن دسته از پرتوهایی که موفق میشوند از بالا و پایین جسم عبور کنند، به پرده میرسند. به این ترتیب پشت جسم تاریک میماند و یک سایه کاملا مشکی با لبههای بسیار دقیق و تیز خواهیم داشت.
نکته مهم: در چشمه نور نقطهای، فقط سایه داریم و نیمسایه ایجاد نمیشود.
چشمه نور گسترده چیست؟
اگر منبع نور ما بزرگ باشد، مانند خورشید یا لامپهای مهتابی، نور از زاویههای مختلف به جسم میتابد. در نتیجه در داخلیترین و تاریکترین قسمت که هیچ نوری به آن نمیرسد، سایه تشکیل میشود، در حالی که هاله خاکستری اطراف سایه که فقط بخشی از نور چشمه به آن میرسد، همان نیمسایه است. در واقع با حضور چشمه نور گسترده مرزها محو میشوند.
پس با داشتن چشمه نور گسترده دو منطقه تشکیل میشود:
- سایه در مرکز: بخشی که اصلا نور به آن نمیرسد و کاملا تاریک است.
- نیمسایه دور سایه: شامل هالهای خاکستری میشود که دور سایه مرکزی را گرفته است. در این بخش فقط قسمتی از نور چشمه به پرده میرسد. به همین دلیل نه مانند سایه کاملا سیاه است و نه مانند بقیه جاها روشن.
اجسام منیر و غیر منیر
در بخش اول گفتیم برای تشکیل سایه لازم است سه مورد فراهم باشد، چشمه نور، جسم مانع و پرده. در این قسمت راجعبه انواع اجسامی که به عنوان مانع عمل میکنند، صحبت میکنیم و خواهیم دید نوع مادهای که جسم از آن ساخته شده، مستقیما بر ویژگیهای سایه اثر میگذارد.
به طور کلی اجسام را بر اساس توانایی در تولید نور به دو دسته تقسیم میکنیم:
- اجسام منیر یا نورانی: اجسامی که از خود نور و گرما ساطع میکنند، مانند خورشید و سایر ستارهها.
- اجسام غیرمنیر یا غیرنورانی: اجسامی که از خود نوری تولید نمیکنند، بلکه نور تابیده شده از سمت اجسام منیر را بازتاب میدهند، مانند زمین، ماه و درختان.
همچنین میتوان اجسام را میتوان بر اساس نحوه برخورد و واکنشی که در برابر نور نشان میدهند، به چهار گروه شفاف، نیمهشفاف، کدر و بازتابنده تقسیم کرد:
| نوع جسم مانع | رفتار نور | وضعیت سایه | مثال |
| شفاف | عبور تمام نور | عدمتشکیل سایه | شیشه، آب زلال، هوا |
| نیمه شفاف | عبور بخشی از نور | تشکیل سایه روشن، محو یا رنگی | شیشه مات، پلاستیک نازک |
| کدر | عدمعبور نور (جذب نور) | تشکیل سایه تاریک و نیمسایه | سنگ، چوب، بدن انسان |
| بازتابدهنده | عدمعبور نور (بازتاب نور) | تشکیل سایه و تصویر | آینه، قاشق استیل براق |
اجسام شفاف
زمانی که نور به یک جسم شفاف یا Transparent مانند شیشه صاف یا آب زلال میتابد، تقریبا تمام نور از آن عبور میکند. به همین علت این اجسام معمولا هیچ سایه قابل مشاهدهای تشکیل نمیدهند یا سایه آنها بسیار ناچیز است. در واقع اجسام شفاف به نور اجازه میدهند بدون پراکندگی از آنها عبور کند. در نتیجه میتوانیم پشت شیشه معمولی را به وضوح ببینیم.
اجسام نیمه شفاف
برخی مواد نیمهشفاف مانند شیشههای مات، کاغذ کالک (کاغذ پوستی) یا پلاستیکهای نازک اجازه میدهند فقط بخشی از نور عبور کند. به این ترتیب این اجسام سایههایی بسیار روشن و محو ایجاد میکنند، چون مقداری از نور به پشت آنها نفوذ کرده است. پس اگر جنس یک جسم به گونهای باشد که بخشی از نور را مسدود کند، اما همچنان اجازه دهد مقداری از نور از آن عبور کند، به آن جسم نیمهشفاف یا Translucent میگوییم.
برخی از اجسام نیمهشفاف مانند فیلتر عمل میکنند، یعنی فقط به رنگهای خاصی از نور اجازه عبور میدهند. در این حالت، سایهای که تشکیل میشود دیگر کاملا سیاه نیست، بلکه به رنگ همان نوری است که از جسم عبور کرده است. این پدیده باعث ایجاد سایههای رنگی زیبا میشود که احتمالا نمونههای آن را در شیشههای رنگی مساجد قدیمی یا کلیساها دیدهاید.
اجسام کدر
اجسام کدر مانند چوب، فلز یا بدن انسان اجازه عبور هیچ نوری را از خود نمیدهند. به همین علت این مواد سایههایی واقعی و تاریک با مرزبندی مشخص را ایجاد میکنند. در واقع هرچه جسم کدرتر باشد، سایه آن مشخصتر است. پس نور توسط اجسام کدر مانند چوب و سنگ کاملا مسدود میشود و در سمت دیگر، سایهای ایجاد میکند. در واقع، اجسام کدر نور را به جای عبور دادن جذب میکنند.
اجسام بازتاب دهنده
برخی اجسام مانند آینه یا فلزات براق به جای اینکه نور را جذب کنند یا اجازه عبور آن را بدهند، آن را منعکس میکنند. پس این اجسام هم چون اجازه عبور نور را نمیدهند، سایه ایجاد میکنند، اما همزمان میتوانند با بازتاباندن نور به یک سمت دیگر، باعث روشن شدن بخشی از سایههای اطراف شوند.
پس یک جسم بازتابدهنده مانند آینه در واقع نور را به عقب برگشت میدهد. به این پدیده بازتاب یا انعکاس نور میگوییم. دقت کنید یک تصویر (بازتاب)، سایه نیست، هر چند ممکن است دقیقا به همان شکل جسم باشد:
- سایه: به دلیل مسدود شدن و نبود نور ایجاد میشود و معمولا سیاه یا خاکستری است.
- تصویر: به دلیل برگشت نور ایجاد میشود و تمام جزئیات و رنگهای جسم را نشان میدهد.
عوامل موثر بر شکل و اندازه سایه ها چیست؟
در بخشهای قبل با ملزومات لازم برای شکلگیری سایهها آشنا شدیم. پیش از شروع این بخش، پیشنهاد میکنیم اگر به دنبال درک بهتر اصول پایه فیزیک نور یا اپتیک هستید، فیلم آموزش رایگان اپتیک چیست؟ + نظریههای موجی و ذرهای و مسیر یادگیری فرادرس را مشاهده کنید که لینک آن نیز در ادامه برای شما قرار داده شده است:
آیا تا به حال فکر کردهاید که چرا شکل سایه در ساعتهای مختلف روز یا فصلهای مختلف سال تغییر میکند؟ شکل و اندازه سایهها ثابت نیست و به عوامل مختلفی بستگی دارد:
- فاصله جسم تا چشمه نور
- زاویه تابش چشمه نور
- شدت و نوع نور
- شکل و اندازه جسم
همچنین اگر دقت کرده باشید، برخی سایهها مانند سایه درختان نخل در طول روز تغییر اندازه میدهند. دلیل این پدیده تغییر فاصله یا زاویه منبع نور (خورشید) نسبت به جسم است. به علاوه اندازه و شکل سایهها به حرکت منبع نور یعنی ثابت یا متحرک بودن آن (برای مثال حرکت خورشید در آسمان) نیز وابسته است.
نکته: رنگ جسم هیچ تاثیری بر رنگ سایه ندارد. تمام سایهها تیره (سیاه یا خاکستری) بنظر میرسند، چون سایه فقط منطقهای است که نور در آن حضور ندارد. بنابراین سایه یک سیب قرمز و یک توپ آبی هر دو به یک رنگ دیده میشوند.
فاصله جسم تا چشمه نور
هر چه جسم را به منبع نور نزدیکتر کنیم، سایه آن بزرگتر میشود، چون جسم پرتوهای نور بیشتری را مسدود میکند. بطور کلی رابطه فاصله جسم از منبع نور با ابعاد سایه را میتوانیم به شکل زیر خلاصه کنیم:
- نزدیک کردن جسم به منبع نور یا نزدیک کردن منبع نور به جسم باعث میشود سایه بزرگتر شود.
- دور کردن جسم از منبع نور یا نزدیک کردن جسم به پرده باعث میشود سایه کوچکتر و واضحتر شود.
زاویه تابش چشمه نور
زاویه تابش چشمه نور یا ارتفاع خورشید در آسمان نیز شکل سایه را تعیین میکند. برای مثال، سایهها در هنگام ظهر که خورشید کاملا بالای سر ما قرار دارد، در کوتاهترین حالت خود هستند و هنگام طلوع یا غروب که خورشید در زاویه پایینی قرار دارد، در بلندترین حالت دیده میشوند. بنابراین این زاویه تابش است که تعیین میکند چرا سایهها قد میکشند. وقتی زاویه بین نور، جسم و پرده تغییر میکند، سایه دیگر یک تصویر دقیق از جسم نیست، بلکه کشیده یا دفرمه میشود.
زاویهای که تحت آن نور به یک جسم میتابد، روی اندازه و شکل سایه به صورت زیر اثرگذار است:
- زاویه کم (تابش از کنارههاو نزدیک به سطح افق): زمانی که نور از پهلو به جسم میتابد، برای مثال هنگام طلوع یا غروب خورشید، جسم مقدار بیشتری از پرتوهای نور را مسدود میکند و سایهها بلندتر و کشیدهتر میشوند.
- زاویه زیاد (تابش از بالا): زمانی که منبع نور دقیقا بالای سر جسم قرار میگیرد، مانند موقعیت خورشید در ظهرها، سایهها کوتاهتر و فشردهتر میشوند.
بنابراین در فصل زمستان چون خورشید نسبت به تابستان در موقعیت پایینتری از آسمان قرار دارد، سایهها در یک ساعت مشخص از روز (برای مثال در ساعت ۱۰ صبح) نسبت به تابستان بلندتراند. در مقابل، چون در فصل تابستان خورشید در بالاترین نقطه آسمان قرار میگیرد، در طول روز بیشتر با سایههای کوتاه مواجه هستیم. همچنین اگر جسم را کج کنید، سایه دیگر شکل واقعی جسم را نشان نمیدهد. برای مثال، سایه یک دایره کامل اگر با زاویه تابیده شود، میتواند به شکل یک بیضی روی زمین ظاهر شود.
نوع منبع نور
در مورد انواع چشمه نور و نقش آنها در تشکیل سایه و نیمسایه در بخشهای قبل توضیح دادیم و گفتیم که یک منبع نور نقطهای مانند LED خیلی کوچک، سایههایی با لبههای تیز و تند ایجاد میکند، در حالی که یک منبع نور پخش شده یا گسترده مانند آسمان ابری، سایههایی نرم و محو تولید میکند که شامل نیمسایه نیز هستند.
شکل و اندازه جسم
در نهایت شکل و اندازه سایه با شکل و اندازه جسمی که راه نور را مسدود کرده، مرتبط است. البته این فرض تا زمانی برقرار است که نور مستقیما به سمت جسم بتابد. بنابراین یک انسان سایهای به شکل انسان و یک زرافه سایهای به شکل زرافه میسازد. همچنین اجسام بزرگتر سایههای بزرگتری ایجاد میکنند، زیرا بخش بیشتری از مسیر نور را مسدود کردهاند. در فیزیک به رابطه مستقیم بین ابعاد جسم و ابعاد سایه، تناسب هندسی گفته میشود. به تصویر زیر دقت کنید:
اگر یک منبع نور واحد همزمان به دو بادکنک که در فاصله یکسانی از آن قرار دارند، بتابد:
- بادکنک بزرگتر سایه بزرگتری ایجاد میکند.
- بادکنک کوچکتر سایه کوچکتری ایجاد میکند.
این پدیده به این دلیل است که بادکنک بزرگتر، زاویه بیشتری از پرتوهای منبع نور را مسدود میکند. همچنین اگر جسمی در حالی که نور به آن میتابد، تغییر اندازه دهد (برای مثال بادکنک در حال باد شدن)، سایه آن نیز به همان نسبت و بطور همزمان تغییر اندازه خواهد داد. پس سایه دقیقا از مرزهای فیزیکی جسمی که مسیر نور را مسدود کرده، پیروی میکند.
نکته دیگر در مورد شکل سایه این است که سایه همواره یک نمایش دو بعدی از یک جسم سه بعدی ارائه میدهد و به همین علت ممکن است شکل واقعی جسم را نشان ندهد. برای مثال، سایه یک مخروط روی پرده به شکل یک مثلث دیده میشود یا سایه یک استوانه (اگر نور از پهلو بتابد) به شکل یک مستطیل ظاهر میشود. تصویر زیر نمونهای از این تفاوتها را نشان میدهد:
نقش سایه و نیم سایه در شکل گیری کسوف و خسوف چیست؟
در انتهای این مطلب از مجله فرادرس توضیح میدهیم کاربرد مفهوم سایه و نیمسایه در بررسی خورشیدگرفتگی (کسوف) و ماهگرفتگی (خسوف) چیست. ابتدا تعریف کسوف و خسوف را یادآوری میکنیم:
- خورشیدگرفتگی (کسوف): زمانی که ماه بین زمین و خورشید قرار میگیرد، کسوف داریم.
- ماهگرفتگی (خسوف): زمانی که زمین بین ماه و خورشید قرار میگیرد و ماه وارد سایه یا نیمسایه بزرگ زمین میشود، خسوف داریم.
به این ترتیب در کسوف اگر شما در منطقه سایه ماه روی زمین باشید، خورشید را کاملا تاریک میبینید (خورشیدگرفتگی کامل) و اگر در منطقه نیمسایه باشید، خورشید را ناقص و به صورت یک هلال درخشان میبینید (خورشیدگرفتگی جزئی). همچنین در خسوف کامل یعنی زمانی که ماه کاملا وارد مخروط سایه زمین میشود، ماه را به رنگ قرمز مسی خواهید دید. این در حالی است که در خسوف نیمسایهای که ماه فقط از ناحیه نیمسایه زمین عبور میکند، ماه را کمی کدر و تیره خواهید دید، یعنی ماه تاریک نمیشود.
