מוט"ב-מדע וטכנולוגיה בחברה- מורים מכינים מערכי שיעור: לשכה אפלה

מערך שיעור – לשכה אפילה

1. מבוא - (חלק תיאורטי)

הלשכה האפלה, או בשמה המקורי "קמרה אובסקורה", הייתה, כפי הנראה, המיתקן
הראשון ששימש ליצירת דמות של הנוף, או של כל דבר אחר שצפו בו. בחיי היום
יום, המושג "יצירת דמות" נשמע מעט מוזר. בשביל מה ליצור דמות? הרי אפשר
להסתכל על הנוף ולראות אותו בעיניים. קרני האור מגיעות לעין, מתמקדות
ברשתית, וזו מעבירה מידע חשמלי עצבי המפוענח על-ידי המוח כתמונה.

אך מה אם נרצה לשמר את תמונת הנוף על משהו מוחשי ולא רק בזיכרוננו? נוכל
כמובן לצייר את הנוף ביד חופשית. יש אומנם ציירים המסוגלים לעשות זאת
באופן מדויק למדי אבל לרוב התמונה לא תהיה זהה לחלוטין לזו שרואים
במציאות.

אם ניקח דף נייר ונניח אותו מול הנוף לא נראה עליו את תמונת הנוף, והדף
יואר באור אחיד פחות או יותר. גם אם נשים במקום הדף סרט צילום או סדרת
חיישנים אלקטרו-אופטיים (כמו אלו שבמצלמת טלוויזיה) לא תיווצר עליו כל
תמונה.

הסיבה לכך שלא נוצרת דמות על דף המונח לפני הנוף טמונה בכך שלכל נקודה על
הניר מגיעות קרני אור מכל נקודה שבנוף (איור - "כמעט 2000" מס' 6, עמ'
53). אפשר אומנם, על-ידי קרני אור מקבילות, מאחורי הנוף, ליצור צלליות על
הדף, אך אלו מתארות רק את קווי המתאר של הנוף, וגם זאת רק בשחור-לבן.

כדי ליצור דמות של הנוף על פני הדף, צריך לדאוג לכך שלכל נקודה על פני הדף
יגיעו קרני אור רק ממקום אחד בנוף. הדרך הפשוטה ביותר לעשות זאת היא על-
ידי הכנסת מחיצה (דף כהה למשל) בין הנוף לדף, וניקוב נקב קטן במרכזו.
המחיצה עוצרת את רוב קרני האור היוצאות מהנוף ומאפשרת רק לחלק קטן מהם
לעבור דרך הנקב. אם הנקב קטן דיו, יגיעו קרניים לכל נקודה על פני הדף רק
מאזור קטן מאוד בנוף (איור 2 - שם).

איור 2:

בצורה זו נוצרת על הדף דמות מדויקת של הנוף. אפשר כעת לעבור בעיפרון על
פרטי הדמות שנוצרה ולהעתיק במדויק את תמונת הנוף, ואם מניחים במקום הדף
סרט צילום, ניתן לצלם אותו. הואיל וקרני האור מתקדמות בקו ישר, תמונת
הנוף, כפי שרואים באיור 2, היא תמיד הפוכה.

החיסרון הגדול של יצירת דמות בעזרת נקב (בהשוואה לשימוש בעדשה, שאותו
נזכיר בהמשך) הוא שרק מעט קרני אור עוברות דרך הנקב ולכן התמונה המתקבלת
אפלולית למדי. אם דף הנייר אינו מוסתר, מגיעות אליו קרני אור גם מכיוונים
אחרים (ולא רק אלו שעברו דרך הנקב) ומאירות אותו. מסיבה זו קשה מאוד
להבחין בדמות הנוצרת. אם מסתכלים, למשל, בלילה על להבת נר או על מנורה,
אפשר להבחין בהם, אבל באור יום צריך להסתיר את הדף שעליו נוצרת התמונה כדי
לראותה. אחת הדרכים לעשות כן היא להצמיד את הדף לדופן תיבה גדולה ואטומה
לאור, ובה נקב קטן בדופן שממול לדף. בעבר, צייר אשר רצה להעתיק את תמונת
הנוף היה נכנס לתוך התיבה והיה עובר בצבעים על הדמות שנוצרה (איור 3 -
שם). בלטינית, נקראת לשכה אפלה זו "קמרה אובסקורה".

איור 3:

לפני שנעבור לבניית הדגם, נחלק את דף עבודה מס' 1. נשרטט את מהלך הקרניים עבור המקרים השונים.

דף עבודה 1- מהלך הקרניים בלשכה אפילה

בכל הדגמים הבאים יש לשרטט שתי קרניים היוצאות מראש החץ ושתי קרניים היוצאות מזנב החץ. שרטטו בקירוב את דמות החץ המתקבלת על המסך.

מסך רחוק, נקב יחיד וצר.

מסך קרוב, נקב יחיד וצר.

מסך רחוק, נקב יחיד ורחב.

מסך קרוב, שני נקבים צרים.

שאלות:

באילו מבין הדגמים התקבלה הדמות הברורה ביותר? הדמות המטושטשת ביותר?
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
כיצד משפיעה המרחק של העצם מן המסך על הדמות המתקבלת? האם ניתן לראות תוצאה זאת גם בדגם שבינתם ? הסבר.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

כיצד משפיעים מספר הנקבים על הדמות המתקבלת?
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

כיצד משפיע רוחב הנקב על הדמות?
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

איך הייתם בונים לשכה אפלה מושלמת?
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

. בניית לשכה אפלה (חלק מעשי)

אם רוצים לבנות גרסה קטנה יותר של הלשכה (כזו שלא נכנסים לתוכה), ניתן
להשתמש בנייר חצי שקוף (נייר שרטוט או נייר פרגמנט) ולראות עליו את הדמות.
ניתן כמובן גם להכניס ללשכה האפלה סרט צילום אמיתי ולצלם בה ממש כמו
במצלמה רגילה. אולם צריך לחשוף את סרט הצילום לאור לזמנים ארוכים יחסית,
ולכן יש תועלת בשיטה זו בצילום חפצים נייחים בלבד. לכן, מכנים את הלשכה
האפלה גם "מצלמת נקב" או "מצלמת חריר".

מה צריך?

1. שתי חתיכות בריסטול שחור בגודל של 15X15ס"מ כל אחת. המידות אינן
חשובות כלל, אך יש להקפיד ולהשתמש בבריסטול בצבע שחור.
2. ריבוע בגודל של 55X-כ ס"מ של נייר חצי שקוף (נייר שרטוט או נייר
פרגמנט).
3. ריבוע בגודל של 55X-כ ס"מ של נייר אלומיניום (המכונה נייר כסף), רצוי
להשתמש בנייר עבה, אך לא הכרחי.
4. נייר דבק שקוף ומספריים.

מה עושים?

1. מחתיכת בריסטול אחת יוצרים גליל בקוטר של 5-4-כ ס"מ, ומדביקים אותו
בעזרת נייר הדבק. לא חשוב לדייק, אך יש להקפיד שיתקבל גליל ישר ולא חרוט
קטום.

2. מדביקים על צדו האחד של הגליל את הנייר החצי שקוף. חשוב שפני הנייר
יהיו ישרים ולא מקומטים ולכן מומלץ לסמן עליו עיגול בקוטר הגליל (מניחים
את הגליל על הנייר ומסמנים בעזרת עיפרון), לגזור "שיניים" ולהדביק בצורה
מסודרת (איור 4 - "כמעט 2000" מס' 6, עמ' 24).

3. את חתיכת הבריסטול השניה מגלגלים מסביב לגליל הראשון ומדביקים אותה כך
שתוכל להחליק בקלות (אך לא בקלות רבה מדי) על פניו קדימה ואחורה. שני
הגלילים צריכים לנוע זה בתוך זה באופן טלסקופי (כמו פרקים של אנטנה).

4. מדביקים בעזרת נייר הדבק את נייר האלומיניום על הגליל השני ומכניסים
לתוכו את הגליל הראשון. לא צריך להקפיד על צורת נייר האלומיניום אך חשוב
שיהיה שלם ללא חורים.

5. מרחיקים מעט את הגליל הפנימי (כדי לא לנקב גם את הנייר החצי שקוף)
ומנקבים בעדינות רכה (בעזרת סיכה או מחט) נקב קטן ועגול במרכז נייר
האלומיניום. הלשכה האפלה מוכנה.

ההפעלה פשוטה מאוד. מסתכלים לתוך הגליל הפנימי, מכוונים אותו החוצה או
למנורות שבחדר ומזיזים את שני הגלילים זה ביחס לזה. הגליל החיצוני מצל על
הנייר החצי-שקוף ומאפשר לראות גם תמונה כהה יחסית ואילו הזזת שני הגלילים
מגדילה ומקטינה את גודל הדמות.

לסיום כדאי לשים לב לכמה נקודות:

א. לשכה אפלה זו היא לשכה אפלה עם "זום", כלומר אפשר על-ידי הזזת הגלילים
לשנות את גודל הדמות, אך ככל שמגדילים את הדמות (מרחיקים את הגלילים),
כמות האור העוברת דרך הנקב מתחלקת על פני שטח גדול יותר ולכן הדמות כהה
יותר וקשה להבחין בה. אם מקרבים את הגלילים, עוצמת האור גדלה, אך הדמות
קטנה. במצב הקיצוני שבו הנייר החצי שקוף נוגע בנייר האלומיניום, נקבל דמות
בהירה מאוד אבל בגודל אפס (גודל הנקב).

ב. ככל שהנקב גדול יותר, עובר דרכו יותר אור והתמונה בהירה יותר אבל היא
תהיה גם מטושטשת יותר ולהפך, (נסו לחשוב למה?) מי שרוצה לשכלל את הלשכה
יכול להגדיל את הנקב ולשים עליו עדשה מרכזת (זכוכית מגדלת למשל). העדשה
תאפשר להרבה אור להיכנס ותיצור דמות בהירה ועם זאת חדה. החיסרון הוא
שהדמות שיוצרת העדשה תיווצר רק במרחק קבוע ממנה (בערך מרחק המוקד), לא
נוכל לשנות את גודל הדמות ונאבד את יכולת הזום. אם לא הצלחתם לראות דמות
לאחר שהרכבתם עדשה, נסו לשנות את המרחק שבין הגלילים עד למיקוד.
ג. אם רואים כמה דמויות זו על זו, בדקו שלא נוצרו נקבים נוספים בנייר
האלומיניום, ואם כן, החליפו אותו. חשוב שהנקב יהיה קטן, עגול ובמרכז.

דף עבודה 2:

שם התלמידים: ____________

מטרת הפעילות: נבדוק כיצד מספר הנקבים, וגודלם משפיע על הדמות המתקבלת בלשכה אפילה.

עבור כל אחד מהמצבים הבאים , רשמו :

גודל הנקב, הדמות הנצפית , מספר הדמויות, חדות התמונה

המצבים:

מספר נקבים
נקב אחד
שני נקבים (מרחק של 2 מ"מ)
3 נקבים (מרחק של 2 מ"מ)
מספר גדול של נקבים (מרחק של 1mm בין הנקבים)
נקב אחד גדול

מסקנות:
1) הגדלת מספר הנקבים גורמת ______________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________

2) גודל הנקב גורם ________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________

דף למורה: (הסבר הניסוי) :

הסבר את המסקנות הבאות:
התמונות המתקבלות מבעד לנקבים רחוקים זה מזה חדות וברורות , ואילו התמונות המתקבלות מבעד לנקבים קרובים מאוד זה לזה , מטושטשות.
כאשר הנקבים רחוקים זה מזה , אלומות האור עוברות דרך הנקבים בנפרד ויוצרות כל אחת תמונה נפרדת. כאשר הנקבים קרובים מאוד זה לזה האלומות עוברות דרך הנקבים ונופלות זו על גבי זו על המסך אך לא באופן חופף. התמונה המתקבלת היא למעשה תוצאה של שתי תמונות החופפות בחלקן.
כאשר הנקב הוא רחב מתקבלת כתם אור שהוא תמונה אחת מטושטשת.

נקב אחד רחב דומה בעצם למספר אין סופי של נקבים צפופים וקרובים זה לזה . מבעד לנקב רחב מתקבלות תמונות רבות לא חופפות וצמודות . לכן התוצאה המתקבלת היא תמונה אחת מטושטשת.

מקורות:

מאמר מאת אמיר בן שלום, מהאתר: "סנונית"
מערך השיעור של יוסף אבו חליס