Vltrh nápadů učitlů fyziky I Dmonstrac skládání barv DENĚK NAVRÁTIL Přírodovědcká fakulta MU Brno Úvod Studnti střdních škol si často stěžují na nzáživnost nzajímavost a matmatickou obtížnost výuky fyziky. Pomiňm otázku z jaké části j tnto postoj způsobn skutčně fyzikou samotnou a rálnou náplní jjích vyučovacích hodin a z jaké části nzájmm studntů o přírodovědné obory a o vzdělání vůbc. V každém případě j však potřbné vzbudit zájm o probíraná témata. J proto žádoucí a v fyzic tuto možnost mám doplnit výklad názornými a poutavými xprimnty ktré studnty zaujmou njn svou podstatou al i návazností na další obory. V případě optických xprimntů j tnto požadavk poměrně dobř splnitlný. Rozklad světla na jho spktrum srovnávání různých zdrojů světla podl spktrálního složní a míchání barv opětovným skládáním různých částí spktra jsou poutavé pokusy i pro laické publikum. Exprimnty lz navíc komntovat i z hldiska použitého dtktoru lidského oka a provázat tak výuku fyziky s biologií. Využitím njmodrnějších tchnologií v výuc osobního počítač a datového projktoru jako spktrálně laditlného zdroj světla j lz přiblížit také zájmcům o výpočtní tchniku. Barva světla Lidské oko j citlivé na lktromagntické vlnění s vlnovými délkami cca 38 76 nm. Črnobílé tzv. skotopické vidění za nízkého osvětlní zprostřdkovávají světločivé buňky nazývané tyčinky za barvné tzv. fotopické vidění jsou odpovědné světločivé buňky nazývané čípky. Spktrální citlivost lidského oka přsněji světlná účinnost monochromatického zářní při vidění tyčinkami nbo čípky j zobrazna na obr. 1. Tato závislost však pouz ovlivňuj množství světla ktré můž produkovat světlný zdroj na různých vlnových délkách. J proto spojna s fotomtrickými vličinami jako světlný tok nbo svítivost zdroj nposkytuj tdy informaci o barvě světla. 64
Spktrální závislost člnitl Rlativní světlná účinnost monochromatického zářní Vltrh nápadů učitlů fyziky I 1. fotopické vidění skotopické vidění.8.6.4.2. 4 5 6 7 8 Vlnová délka nm Obr. 1 Rlativní světlná účinnost monochromatického zářní při fotopickém a skotopickém vidění. 2. 1.8 1.6 1.4 x y z 1.2 1..8.6.4.2. -.2 4 5 6 7 8 Vlnová délka nm Obr. 2 Spktrální závislost trichromatických člnitlů x y a z. 65
Vltrh nápadů učitlů fyziky I 66 Dfinic barvy j komplikovaný problém ktrý můž být nahlížn z pohldu fyziky fyziologi nbo psychologi. V fyzic proto většinou místo o barvě světla mluvím o chromatičnosti světla 2 ; barvu přdmětů označujm trmínm kolorita. Protož v lidském oku nalznm tři různé typy čípků s různou spktrální citlivostí z jjichž signálů j barva určována zavádí s také tři trichromatičtí člnitlé x y z viz obr. 2 [1 2]. Ti udávají jak j spktrální zářivý tok nrgi o určité vlnové délc vyzářná zdrojm za jdnotku času rozděln do tří trichromatických souřadnic a 3 : d x d y. d z ískaná trojic souřadnic však obsahuj informaci njn o chromatičnosti světla al i o jho intnzitě. Normováním x y z 2 Chromatičnost navíc nobsahuj údaj o jasnosti barvy. 3 a povšimnutí stojí ž člnitl y odpovídá světlné účinnosti monochromatického zářní při fotopickém vidění.
Vltrh nápadů učitlů fyziky I s z původně třídimnzionálního prostoru omzím jn na rovinu danou rovnicí x y z 1. Pro popis chromatičnosti tdy stačí používat pouz dvě souřadnic x a y. Sstrojím-li graf v ktrém bod popsaný souřadnicmi x y vykrslím barvou danou těmito hodnotami získám známý chromatický diagram CIE 1931 viz obr. 3. V něm jsou okraj podkovy dány sytými spktrálně čistými barvami jjichž skládáním obdržím barvy lžící mzi nimi. Kromě souřadnic x y xistují i jiné systémy souřadnic ktré rgulují jisté ndostatky diagramu CIE 1931. Místo nich s však raději krátc zmiňm o systému RGB. volím-li si v diagramu CIE 1931 tři základní barvy tzv. gamut ktrý j dán např. luminofory nbo barvnými filtry ktré zařízní používá můžm z nich namíchat pouz ty barvy ktré lží v trojúhlníku s vrcholy popsanými těmito barvami. V výpočtní tchnic j chromaticita njčastěji kódována právě pomocí trojic črvné Rd zlné Grn a modré Blu barvy. Obr. 3 Chromatický diagram CIE 1931. Přvzato z [1] 67
Vltrh nápadů učitlů fyziky I Exprimnty K dmonstraci skládání barv v výuc fyziky na střdní škol lz použít různé pomůcky od njjdnodušších až po njdokonaljší. V násldujícím txtu s zmíním pouz o něktrých. Mzi njjdnodušší pomůcky patří rotující kotouč jhož plocha j rozdělna na tři barvné výsč ralizované barvnými papíry. měnou poměru vlikosti ploch příslušných jdnotlivým barvám lz snadno měnit výsldnou barvu vnímanou lidským okm díky strvačnosti vidění. Nvýhodou této pomůcky j ž dmonstrujm spíš koloritu nž chromaticitu světla což s projvuj světlně málo intnzivním jvm. Tnto ndostatk rotujícího kotouč lz odstranit použijm-li rflxní barvné papíry a kotouč osvítím zdrojm bzpčného UVA zářní např. rtuťovou výbojkou opatřnou Woodovým sklm ktrá produkuj pouz zářní o vlnové délc cca 366 367 nm. Luminiscnc rflxních barv způsobuj ž s papír chová jako vlastní zdroj světla a protož osvětlní UV výbojkou j nulové pozorujm chromaticitu světla. Pozitivní j vlmi výrazný fkt ovšm v zatmněné místnosti. Další možností vylpšní rotujícího kotouč přdstavuj nansní klasických luminoforů používaných v osvětlovací tchnic na jdnotlivé výsč kotouč. U nich s však přdpokládá xcitac krátkovlnným UV zářním cca 253 nm ktré má grmicidní účinky a j pro lidské zdraví škodlivé. Navíc samotné luminofory mohou být jdovaté a proto jjich použití nlz pro běžné dmonstrac doporučit. Skládání barv lz snadno dmonstrovat také pomocí tří barvných žárovk ktré např. současně osvětlují bílou plochu. vlášť výhodné uspořádáni xprimntu j takové při ktrém lz zastínit vždy světlo z jdné žárovky. Potom j možné místo původně bílého osvětlní pozorovat osvětlní v doplňkových barvách. Vlmi názornou dmonstraci skládání barv lz uskutčnit použitím osobního počítač a datového projktoru ktrý j v současnosti častým vybavním učbn. Datový projktor na nějž j kladn požadavk vysokého světlného toku j v současnosti často osazován modrní vysokotlakou rtuťovou výbojkou typu UHP Ultra High Prformanc lamp ktrá poskytuj bílé světlo. Spktrum UHP výbojky j čarové avšak díky vysokému tlaku v výboji jsou spktrální čáry značně rozšířny [3]. Chromatičnost vystupujícího světla j měněna pomocí barvných filtrů ktré mohou být pvné LCD projktory a tříčipové DLP projktory nbo mohou být podobně jako u přdšlých xprimntů uložny na rotujícím kotouči jdnočipový DLP projktor. RGB souřadnic 68
Intnzita lib. jdnotky Vltrh nápadů učitlů fyziky I vystupujícího světla lz snadno nastavit v počítači např. volbou barvy pozadí snímku v przntaci rovněž v RGB rprzntaci. Na rozdíl od přdšlých xprimntů však můžm datový projktor použít jako zdroj světla. J proto možné a současně vlmi přínosné ukážm-li současně např. rozkladm pomocí optického hranolu či optické difrakční mřížky kromě výsldné barvy světla i jho spktrum. Můžm tak pozorovat jaké spktrální čáry rtuti s použijí pro zobrazní primárních RGB barv jjich doplňkových barv bílého světla nbo také např. fialové-purpurové barvy ktrá sama nní spktrální barvou viz obr. 4. 12 1 8 črvná R zlná G modrá B fialová M 6 4 2 4 5 6 7 8 Vlnová délka nm Obr. 4 Spktrum črvné zlné modré a fialové barvy jdnočipového DLP projktoru vybavného výbojkou UHP. Měřno mřížkovým monochromátorm s CCD dtktorm. Litratura [1] CIE 1931 color spac. 26 August 1. In Wikipdia Th Fr Encyclopdia. Dostupné 2. srpna 26. [2] Habl J. Osvětlování. Skriptum ČVUT. Praha 1995. [3] Drra G. t al. 25. UHP lamp systms for projction applications. J. Phys. D. 38 2995. 69