الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
59ألوان الضوء وأطيافه
أين تسكن الألوان؟ في التفاحة، يقول الحسّ المشترك — فالحمرة هناك على القشرة تمامًا. لكن احمل التفاحة إلى صالة رياضية مضاءة بأزرق عميق تصر التفاحة “الحمراء” سوداء كالفحم. فالألوان، كما يتبيّن، محادثة ثلاثية بين الضوء والجسم والعين — وتفتتح بأغرب حقيقة في البصريات: الضوء الأبيض ليس أبيض.
59.1 الضوء الأبيض مفكوكًا
قضية 59.1 (الضوء الأبيض مزيج)
الضوء “الأبيض” العادي — ضوء الشمس وضوء المصباح — مزيج من الألوان كلها دفعة واحدة. فإذا أُرسل عبر موشور زجاجي انفكّ المزيج: إذ ينكسر كل لون بمقدار مختلف قليلًا وهو يعبر الزجاج، فتتباعد الألوان مروحة في شريط متّصل من الأحمر (أقلّها انكسارًا) إلى البنفسجي (أكثرها انكسارًا). ويسمّى الشريط طيفًا، ويسمّى الفكّ تبديدًا.
مثال 59.2 (أطياف بلا مختبر)
الطبيعة ودرج الخردوات مملوءان مواشير. فقوس قزح: كل قطرة مطر موشور ومرآة صغيران، والقوس بسعة السماء ضوء شمس بدّدته ملايين القطرات — وهو دائمًا في نصف السماء المقابل للشمس، ولهذا يقف صائدو أقواس قزح والشمس خلف ظهورهم. ورذاذ خرطوم الحديقة الناعم يستحضر واحدًا عند الطلب. ووجه القرص المدمج المحزّز يقذف أطيافًا صغيرة على السقف؛ وحافة المرآة المشطوفة تخطّط الجدار في أصائل مشمسة. فالضوء الأبيض يفضح مزيجه في كل موضع يلقى فيه بنية دقيقة أو زجاجًا مائلًا.
مثال 59.3 (إعادة تعبئة المزيج)
الفكّ يجري بالمقلوب أيضًا. لوّن قرصًا بقطاعات قوس قزح وأدره سريعًا: فالعين، وهي أبطأ من أن تتابع، تستقبل الألوان كلها من كل بقعة في وقت واحد عمليًّا — فتقرأ المزيج: بياضًا رماديًّا شاحبًا مغسولًا. وقد أدار الفيزيائي العظيم الذي فكّ ضوء الشمس بموشور أولَ مرة قرصًا كهذا بعينه ليحتجّ للتعبئة — وكانت أجرأ ضرباته موشورًا ثانيًا يلتقط الطيف ويطويه ثانية في حزمة بيضاء واحدة: فالمزيج مبرهَن من الجهتين.
59.2 لماذا التفاحة حمراء
قضية 59.4 (لون الجسم)
لون الجسم المعتم مصنوع بالطرح. فالجسم، إذ يستقبل الضوء، يمتصّ جزءًا من المزيج ويبعثر الباقي — والباقي المبعثَر هو ما يبلغ عينك ويسمّي اللون. فالتفاحة الحمراء تمتصّ جميع ألوان الضوء الأبيض تقريبًا وتعيد الأحمر أساسًا. والصفحة البيضاء تعيد كل شيء تقريبًا؛ والمعطف الأسود لا يعيد شيئًا تقريبًا — بل يمتصّ الجميع (ويسخن تبعًا لذلك، كما تشهد السيارات الداكنة في الصيف). فاللون ليس في القشرة: بل هو جواب القشرة على الضوء الذي عُرض عليها.
مثال 59.5 (اختبار الصالة الرياضية)
والآن إلى الصالة الرياضية المضاءة بالأزرق. قشرة التفاحة الحمراء تفعل ما تفعله دائمًا: تمتصّ كل شيء إلا الأحمر، وتقف مستعدّة لإعادة الأحمر — لكن الكشّاف الأزرق لا يحوي أحمر لتعيده. فلا شيء يُبعثر ولا شيء يُستقبل: فتبدو التفاحة سوداء. أما الصفحة البيضاء تحت الضوء نفسه فتعيد ما أُعطيت: فتبدو زرقاء. وقاعدة المسرح: لا يستطيع جسم أن يعيد إلا ألوانًا جاء بها الضوء — فغيّر الضوء تغيّر كل زيّ في القاعة.
طريقة 59.6 (التنبّؤ بلون تحت أيّ ضوء)
- اسرد ما يجيء به الضوء (الأبيض: كل شيء؛ والمصباح الملوّن: لونه هو أساسًا)؛
- اسرد ما يعيده الجسم في الضوء الأبيض — فلونه في ضوء النهار يسمّيه؛
- قاطِع بين السردين: فالجسم يبعثر ما يظهر في كليهما؛
- وإذا كان التقاطع خاليًا: بدا الجسم أسود.
قبّعة زرقاء تحت ضوء أحمر: تعيد الأزرق لا غير، وعُرض عليها الأحمر لا غير — فالتقاطع خالٍ: قبّعة سوداء. وتحت ضوء أبيض: يلقى العرض الكامل الجوابَ الأزرق — فقبّعة زرقاء.
59.3 بناء الألوان من الضوء
مثال 59.7 (ثلاثة مصابيح تصنعها كلها)
مزج الأضواء جمع. راكِب ثلاثة كشّافات — أحمر وأخضر وأزرق: فالأحمر والأخضر معًا يصنعان الأصفر؛ والأخضر والأزرق يصنعان سماويًّا فيروزيًّا؛ والأزرق والأحمر يصنعان الأرجواني؛ والثلاثة جميعًا تصنع الأبيض. فمن ثلاثة ألوان أساسية مختارة جيّدًا لا غير، يبني مزج الضوء تقريبًا كل لون تستطيع العين أن تسمّيه — ولهذا كانت الثلاثة هي العدد السحري لكل شاشة متوهّجة.
مثال 59.8 (الشاشة التي في جيبك)
افحص منطقة بيضاء من شاشة هاتف أو تلفاز بمكبّرة قوية: فلا بياض في أيّ موضع — بل شرائط دقيقة حمراء وخضراء وزرقاء لا غير، كلها مشتعلة. وكل لون تُظهره الشاشة يومًا هو هذه المصابيح الثلاثة بنسب مجرّعة؛ وكل “بياض” هو الثلاثي في أوج غنائه، ممزوجًا بمسافة عينك. أما علبة الألوان فتعمل في الاتجاه الآخر — فالأصباغ تمتصّ، ومزجها يطرح الضوء بدل أن يجمعه — ولهذا يعطي مزج كل الأصباغ ظلمة كدرة بينما يعطي مزج كل الأضواء بياضًا؛ وأمّا حكاية الرسّام كاملة فمن نصيب حصة الفنّ والكيمياء.
ملاحظة 59.9 (الغروب، مدفوعًا بالتمام)
وعد الغروب في السنة الماضية يحلّ أجله. الهواء يبعثر ضوء الشمس — لكن لا بحياد: فالطرف الأزرق من المزيج يتبعثر أسهل بكثير من الأحمر. فانظر بعيدًا عن الشمس نهارًا ترَ الحصة المسروقة، مرسَلةً إليك من السماء كلها: زرقاء. وعند الغروب يكون طريق الحزمة المباشرة الملامس عبر الهواء أطول ما يكون، وتكاد سرقة الأزرق تتمّ — والناجي الذي يبلغ عينك هو الباقي الأحمر البرتقالي، والغيوم الوردية تلتقط التبعثرات المتأخّرة. فالسماء الزرقاء والغروب الأحمر سرقة واحدة، منظورًا إليها من جانبَي الدفتر.
59.4 تمارين
تمرين 59.1 ★
ما الطيف، وما التبديد؟ وأيّ لون ينكسر أقلّ ما يكون في الموشور، وأيّها أكثر؟
حل
حل التمرين 59.1.
الشريط المتّصل من الألوان المختبئة في الضوء الأبيض، مفكوكًا؛ والتبديد هو الفكّ — إذ ينكسر كل لون بمقداره الخاصّ. والأحمر أقلّ انكسارًا، والبنفسجي أكثر.
تمرين 59.2 ★
لماذا يجب على صائد قوس قزح أن يقف والشمس خلف ظهره؟ ومن يؤدّي دور الموشور؟
تمرين 59.3 ★
أعطِ العرضين الدالّين على أن الضوء الأبيض مزيج — واحدًا في الفكّ وواحدًا في إعادة التعبئة.
تمرين 59.4 ★
بلغة الطرح: لماذا العشب أخضر؟ ولماذا الصفحة البيضاء بيضاء والسبّورة سوداء؟
حل
حل التمرين 59.4.
العشب يمتصّ معظم المزيج ويعيد الأخضر أساسًا. والصفحة تعيد كل شيء تقريبًا — فبيضاء؛ والسبّورة لا تعيد شيئًا تقريبًا بل تمتصّ الجميع — فسوداء.
تمرين 59.5 ★
تمرين 59.6 ★
لماذا تصير التفاحة الحمراء سوداء في الصالة الزرقاء — بينما يصير المنديل الأبيض الذي بجانبها أزرق؟
حل
حل التمرين 59.6.
التفاحة لا تستطيع أن تعيد إلا الأحمر، والكشّاف الأزرق لا يجيء بشيء منه: فسوداء. والمنديل يعيد ما يصل — وقد عُرض عليه الأزرق فيعيد الأزرق: منديل أزرق.
تمرين 59.7 ★
سمِّ الألوان الأساسية الثلاثة لمزج الضوء ونتائج كل مراكبة ثنائية — ونتيجة الثلاثة معًا.
حل
حل التمرين 59.7.
الأحمر والأخضر والأزرق. الأحمر الأخضر: أصفر. والأخضر الأزرق: سماوي. والأزرق الأحمر: أرجواني. والثلاثة جميعًا: أبيض.
تمرين 59.8 ★
ماذا تكشف المكبّرة في “بياض” الشاشة؟ وأين يقع المزج؟
حل
حل التمرين 59.8.
شرائط دقيقة حمراء وخضراء وزرقاء لا غير، كلها مضاءة — ولا بياض في أيّ موضع. والمزج يقع في عينك، وهي أبعد من أن تفصل الشرائط.
تمرين 59.9 ★★
لماذا يعطي مزج كل الأضواء بياضًا بينما يعطي مزج كل الأصباغ ظلمة كدرة؟ جملة واحدة لكل اتجاه من اتجاهَي الدفتر.
حل
حل التمرين 59.9.
الأضواء تجمع ما تجيء به، ومجموعة الألوان كاملةً معًا بيضاء — فالجمع يتمّ المزيج. والأصباغ تمتصّ، فيطرح كلٌّ حصته من الضوء، ومجموعة الطروح كاملةً لا تُبقي شيئًا يُذكر — ظلمة بقرار لجنة.
تمرين 59.10 ★★
أكمل دفتر الغروب: ما الذي يسرقه الهواء تفضيلًا، ومن يتلقّى المسروق وبأيّ صفة، وما الذي ينجو من الطريق الملامس الأطول — ولماذا يتوهّج القمر المخسوف في السنة الماضية بذلك الناجي بعينه.
تمرين 59.11 ★★
غرفة قياس الملابس في متجر مضاءة بمصابيح دافئة مائلة إلى الحمرة “تجمّل ألوان البشرة”. فيشتري زبون سترة بدت بنّية دافئة عميقة — ثم يجدها خضراء باهتة في ضوء النهار. أعِد بناء الخديعة بطريقة التنبّؤ.
حل
حل التمرين 59.11.
المصابيح الدافئة المائلة إلى الحمرة لم تعرض إلا القليل من الأخضر؛ وجواب السترة الحقيقي — أخضر في معظمه مع بعض الأحمر يصنعان مزيجًا كدرًا — لم يستطع أن يُظهر إلا حصته الصديقة للأحمر، فقُرئت بنّية دافئة. أما عرض ضوء النهار الكامل فأتاح للجواب الأخضر أن يتكلّم: خديعة بضوء بخيل، تدينها قاعدة التقاطع.
تمرين 59.12 ★★★
حِيَل المسرح: يحتاج مصمّم إلى لافتة بحروف ساطعة مقروءة على أرضية سوداء تحت أضواء الصالة البيضاء — لكن على اللافتة كلها أن تختفي، سوداء بانتظام، حروفًا وأرضيةً معًا، تحت الغمر الأحمر العميق في الختام. اختر لون الحروف ولون الأرضية (من: الأبيض، والأحمر، والأخضر، والأزرق، والأسود)، وبرّر كل اختيار بقواعد الطرح، واشرح لماذا كانت الحروف البيضاء — وهي الاختيار المغري — ستخون الختام.
حل
حل التمرين 59.12.
الحروف زرقاء، والأرضية سوداء. فتحت أضواء الصالة البيضاء تعيد الحروف الزرقاء زرقتها بينما لا تعيد الأرضية السوداء شيئًا: حروف زرقاء ساطعة على سواد — مقروءة. وتحت الغمر الأحمر العميق لا يُعرَض على الحروف الزرقاء شيء تستطيع إعادته، ولا تعيد الأرضية السوداء شيئًا كعادتها: سواد منتظم، واللافتة مختفية. أما الحروف البيضاء فكانت ستخون الختام: فالمُعيد الشامل يجيب حتى الغمر الأحمر بحروف حمراء ساطعة، مقروءة على الأرضية السوداء.
59.5 مسألة: مسرح الضوء
مسألة 59.1
مسألة نهاية الأسبوع — بروفة الأزياء تحت كشّافات ملوّنة؛ أزياء ومرشّحات ومشهد واحد مخرَّب؛ امتحان مصمّم الإضاءة
بروفة الأزياء: ثلاثة كشّافات (أحمر وأخضر وأزرق) بمخفّتات، ورفّ أزياء، ونصّ فيه حِيَل. وأنت تمسك خطة الإضاءة.
القسم الأول — تمارين الإحماء.
- الكشّافات الثلاثة بكامل قوّتها: أيّ ضوء يغمر الخشبة، ولماذا؟
- الأحمر والأخضر بكامل قوّتهما والأزرق مطفأ: سمِّ ضوء الخشبة.
- تحت ذلك المزيج الأحمر الأخضر، تنبّأ بمظهر: قميص أبيض؛ ووشاح أزرق؛ وثوب أصفر.
- والخلفية البيضاء تحت الأزرق وحده — وسبب أن تكون الخلفية قماشًا أبيض دائمًا.
القسم الثاني — عيادة الأزياء.
- يجب أن يبدو معطف الشرّير أسود في المشهد الأول (غمر أحمر) وأخضر غنيًّا في المشهد الثاني (ضوء أبيض). أيّ لون نهاري للمعطف يفي بالغرض، ولماذا؟
- ويجب أن يبقى رداء الشبح مظهره أبيض في كل إضاءة. أيّ لون للرداء، وماذا سيُظهر فعلًا تحت كل كشّاف على حدة؟
- ووشاح ممثّل أحمر يجب أن “يذوب” — فلا يُميَّز عن الستارة السوداء — في لحظة بعينها. أيّ الكشّافات يجوز إشعالها للحيلة، ولماذا تفشل الحيلة لحظة ينضمّ إليها الكشّاف الأحمر؟
- وحروف البرنامج الذهبية بدت رائعة عند الظهيرة لكنها بدت كدرة تحت ضبط المساء الغنيّ بالأزرق. اشرح، معاملًا الذهبي أصفرَ دافئًا.
القسم الثالث — التخريب. المشهد الافتتاحي: قوس قزح الديكور (خطوط مطلية: أحمر، وبرتقالي، وأصفر، وأخضر، وأزرق، وبنفسجي) تحت ضوء أبيض كامل.
- يبدّل مشاكس الضبط الأبيض بأحمر خالص. خطًّا خطًّا، ماذا يرى الجمهور الآن؟
- ويرتجل المخرج فيطلب الكشّافين الأحمر والأزرق معًا. أيّ الخطوط يحيا، وماذا يفعل الغمر المائل إلى الأرجواني بالخطّ الأخضر؟
- ويسأل مدير الخشبة لماذا لا يمكن ببساطة “إعادة إضاءة القوس إلى طبيعته” بكشّاف أخضر وحيد شديد السطوع. أجب بالضوء الوحيد الذي يُظهر الخطوط الستّة كلها.
- اكتب جواب امتحان المصمّم: قانونا مسرح الضوء — واحد عمّا تفعله الأضواء إذا مُزجت، وواحد عمّا تفعله الأجسام بما أُعطيت — كلٌّ في جملة واحدة.
حل
حل المسألة 59.1.
1. أبيض — فالألوان الأساسية الثلاثة بكامل قوّتها تجتمع في المزيج الكامل. 2. أصفر. 3. القميص الأبيض: يعيد العرض — فأصفر. والوشاح الأزرق: لم يُعرض عليه أزرق — فأسود. والثوب الأصفر: جوابه الأصفر يطابق العرض الأصفر — فأصفر باهر. 4. خلفية زرقاء. فالقماش الأبيض يعيد ما يرسله المصمّم: خلفية واحدة، وكل لون عند الطلب — نظير الشاشة البيضاء في السينما. 5. معطف أخضر: فتحت الغمر الأحمر لا يلقى جوابه الأخضر أخضر — فشرّير أسود؛ وتحت الضوء الأبيض يتيح العرض الكامل للأخضر أن يتكلّم — فأخضر غنيّ. 6. رداء أبيض — المُعيد الشامل: أحمر تحت الكشّاف الأحمر، وأخضر تحت الأخضر، وأزرق تحت الأزرق، وأبيض تحت الثلاثة معًا؛ وهو دائمًا أسطع شيء على الخشبة، ودائمًا “يبدو أبيض” بالقياس إلى المشهد. 7. أيّ إضاءة بلا أحمر: الكشّاف الأزرق، أو الأخضر، أو كلاهما معًا — فإذ لا يُعرض عليه أحمر، لا يعيد الوشاح شيئًا ويذوب في الستارة السوداء. ولحظة ينضمّ الكشّاف الأحمر يصير العرض حاويًا بالضبط ما يجيب به الوشاح: فيشتعل أحمر، وتموت الحيلة. 8. الذهبي بوصفه أصفر دافئًا يجيب الأحمر والأخضر بسخاء، والأزرق بالكاد. وضبط المساء الغنيّ بالأزرق لم يعرض عليه إلا القليل مما يستطيع إعادته: فحروف كدرة خافتة. أما مزيج الظهيرة الكامل فأتاح للأصفر أن يشتعل. 9. الخطّ الأحمر: أحمر باهر. والبرتقالي والأصفر: نسختان خافتتان مائلتان إلى الحمرة من نفسيهما (فجوابهما يحوي بعض الأحمر). والأخضر: أسود. والأزرق والبنفسجي: أسودان (والبنفسجي بالكاد جمرة داكنة). فينهار القوس إلى خراب أحمر وأسود. 10. الخطّان الأحمر والأزرق يحييان؛ والبنفسجي يتوهّج خافتًا (فهو يجيب الأزرق وبعض الأحمر)؛ والبرتقالي والأصفر لا يُظهران إلا حصّتيهما الحمراوين الضعيفتين؛ ويبقى الخطّ الأخضر أسود — فالضوء الأرجواني لا يحوي أخضر. 11. الضوء الأبيض وحده — المزيج الكامل — يُظهر الخطوط الستّة كلها: فكل خطّ يعيد لونه هو، ولا يجيب عن الستّة جميعًا إلا عرض يحوي الستّة جميعًا. أما الكشّاف الأخضر، مهما سطع، فيضيء خطًّا واحدًا ويقتل خمسة. 12. مثلًا: “الأضواء الممزوجة تجمع: فالأحمر والأخضر والأزرق تبني كل لون، وتبني معًا الأبيض. وكل جسم يطرح: فلا يعيد إلا حصته من الذي جاء به الضوء — فاعرض عليه ما لا يستطيع إعادته يلبس السواد.”