Посібник з розділу фізики «Оптика» для виконання проектів і творчих завдань
Калінкіна Надія Петрівна, вчитель фізики опорного навчального закладу «Хрестівська загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів Хрестівської сільської ради Херсонської області»
e-mail: hrestivka@gmail.com
Мета роботи: розвиток в учнів дослідницьких умінь, спостережливості, креативності при роботі над навчальним проектом.
Посібник розглядає взаємозв’язок фізики і образотворчого мистецтва в розділі «Оптика», а саме взаємозв’язок світла і кольору на прикладі картин відомих українських художників і призначений для організації дослідницької роботи учнів 7–11 класів за методом проектів. Розробка містить 5 розділів і пропонує теоретичний матеріал та завдання для самостійних досліджень і творчі завдання.
Світ кольору і світла безмежний. Наші органи чуття реагують на колірне сприйняття. Ми бачимо кольори навколо нас. Бачимо їх і на картинах художників. Чи можна зіставити фізику світла (розділ «Оптика») і живопис? Виявляється, можна.
Основні кольори
В оці людини містяться два типи світлочутливих клітин (фоторецепторів): високо чутливі палички, що відповідають за нічний зір, і менш чутливі колбочки, що відповідають за кольоровий зір.
У сітківці ока людини є три види колбочок, максимуми чутливості яких припадають на червону, зелену і синю ділянки спектру. Інші кольори є поєднанням цих кольорів. Але людина розрізняє набагато більше кольорів, за сучасними даними близько 150 кольорів і їх відтінків. Приблизно у 2% жінок є рідкісна генетична мутація, завдяки якій у них спостерігається додаткова колбочка сітківки. Це дозволяє їм бачити 100 мільйонів кольорів. Як це відбувається? Справа у тому, що світлові хвилі накладаються одна на одну і виходить новий колір.
Існують занадто складні для людського ока кольори, їх називають неможливі кольори. Наші очі також можуть розрізнити близько 500 відтінків сірого.
Джеймс Максвелл у 1861 році запропонував адитивний синтез кольору як спосіб отримання кольорових зображень і ввів систему RGB (червоний – зелений – синій).
Змішуючи три основні кольори (червоний, зелений і синій) у певному співвідношенні, можна відтворити більшість кольорів, які сприймає людина.
Один із прикладів використання адитивного синтезу – комп’ютерний монітор, кольорове зображення на якому засновано на колірному просторі RGB і утворюється з червоних, зелених і синіх точок.
При змішуванні променів:
синього (B) і червоного (R), виходить пурпурний (M, magenta),
зеленого (G) і червоного (R) - жовтий (Y, yellow),
зеленого (G) і синього (B) - ціановий (яскраво-блакитний) (С, cyan).
При змішуванні всіх трьох основних кольорів виходить білий колір (W, white).
Все це відбувається при змішуванні світлових променів.
Спробуємо змішати фарби подібним чином. Вийшло? Подумайте, чому отримали інші результати?
Художники користуються дещо іншими поняттями основних кольорів. Це – червоний, синій і жовтий. Змішуючи в різних пропорціях ці кольори, можна отримати інші кольори, які ми бачимо у природі.
Можливі теми для дослідження:
1) Історія RGB системи Максвелла.
2) Що собою являє система CMYK (синьо-зелений, пурпурний, жовтий, чорний) Енді Мюллера? Застосування її в поліграфії і кольоровий фотографії.
3) Спектри в природі. Спектри на картинах художників.
4) Що таке світлота, насиченість, кольоровий тон? Якими параметрами можна ще охарактеризувати світло і колір? Навести приклади, використовуючи картини відомих художників.
Творче завдання. Отримати із синього, червоного і жовтого інші кольори спектру шляхом змішування фарб.
Додаткові кольори
Після вивчення І.Ньютоном властивостей кольору і світла, Г.Грассманом були виведені колірні закони і введено поняття додаткового кольору.
Для їх дослідження ми повинні скористатися поняттями хроматичне і ахроматичне світло.
Всі кольори поділяються на дві групи:
ахроматичні;
хроматичні.
До ахроматичних відноситься білий, чорний і всі відтінки сірого кольору. До хроматичних відносяться всі спектральні кольори: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий зі всіма відтінками й переходами.
Закони змішування кольорів.
1-й закон: для кожного хроматичного кольору можна знайти інший хроматичний колір, який при змішуванні у певній пропорції з першим дає ахроматичний колір. Така пара хроматичних кольорів називається додатковими кольорами. Наприклад, до червоних кольорів додатковими кольорами будуть блакитно-зелені; до оранжевих – блакитні; до жовтих – сині; до зелених – пурпурові; до жовто-зелених – фіолетові.
2-й закон: змішування двох не додаткових кольорів дає завжди новий тон, який лежить у кольоровому крузі між кольоровими тонами змішуваних кольорів.
3-й закон: результат змішування залежить від змішуваних кольорів, а не від спектрального складу світлових потоків, які викликають ці кольори. Завжди можна замінити спектральний помаранчевий сумішшю червоного з жовтим і колір суміші від цього не зміниться.
Визначення додаткових кольорів у фізиці і живопису відрізняються. У фізиці – це дві світлові хвилі, які при накладанні дають білий колір.
А в живопису два кольори називають додатковими, якщо їх пігменти при змішуванні дають сірий, чорний або коричневий кольори.
Кольоровий круг Ньютона для дослідження законів Ньютона-Грассмана.
Можливі теми для дослідження:
1) Одержання додаткових кольорів за допомогою основних у живопису.
2) Які кольори не бачить людина? Чому це відбувається? Неможливі кольори.
3) Дослідити на прикладі картин відомих художників (або окремо взятого художника) в якому напрямку живопису частіше використовуються основні, а в якому – додаткові кольори.
Творче завдання.
Дослідити за допомогою експериментів закони Ньютона-Грассмана.
Змішування кольорів
Розглядаючи картини художників, ми бачимо величезне розмаїття кольорів і відтінків. Звичайно ж такі зорові відчуття відбуваються при змішуванні кольорів.
Які бувають види змішування кольорів?
Кольори можна змішувати механічно та оптично.
Механічне змішування відбувається на палітрі, а можна відразу пензлем взяти 2-3 фарби і скласти набірний мазок. Такий мазок частково змішається, частково буде неоднорідний, що додасть жвавість елементу картини. Таким чином, при змішуванні пігменту, що відбиває електромагнітні хвилі синього діапазону з пігментом, який відбиває хвилі жовтого діапазону, ми отримаємо нове змішання пігментів, яке буде відбивати хвилі зеленого діапазону.
В акварельному живописі не рекомендують змішувати більше трьох кольорів водночас, тому що колір стає брудним. Гуаш, акрил та олійні фарби не мають такого обмеження.
Якщо на палітрі змішати жовтий із червоним, отримаємо оранжевий; червоний із синім – фіолетовий; синій із жовтим дають зелений колір. Змішуючи пігмент, що відображає хвилі червоного діапазону і зеленого діапазону, ми отримаємо фарбу, яка буде практично всі кольори поглинати і покривши нею ділянку картини, ми побачимо ахроматичний коричневий колір. Прекрасно можна спостерігати подібне змішування на картинах талановитого українського художника Михайла Зоблодського.
Оптичне ж змішування кольорів відбувається на картині. Два мазки різного кольору ставляться поряд на папір. Якщо відійти від картини на відстань, вони будуть сприйматися оком як одна пляма.
Таку властивість людського ока художники помітили давно. Оптичне змішування широко використовують у своїх роботах імпресіоністи. Для прикладу можна розглянути картину Михайла та Інесси Гармаш.
Спідниця дівчини білого кольору, але на ній видні зеленкуваті, розові, голубі мазки, які створюють відчуття бузкового відтінку.
Можливі теми для дослідження:
1) Чому механічне змішування фарб і оптичне змішування променів тих же кольорів дають різні результати?
2) Що таке химерні, стигійські, гіперболічні та самосвітні кольори?
3) Різні види змішування кольорів на картинах відомих художників.
Творче завдання.
1. Провести експерименти з різними видами змішування кольорів:
а) механічним;
б) оптичним.
4. Джерела світла
Видиме світло – сукупність електромагнітних хвиль різної довжини 380-760 нм, які випромінює джерело світла. Джерело може випромінювати хвилі будь-якого діапазону. Від цього залежить колір джерела. У природі практично немає джерел монохромного випромінювання, тобто одного кольору.
Якщо переважають хвилі діапазону довжин хвиль 480-510 нм, то світло буде здаватися блакитним, а якщо 550-650 нм, то жовто-помаранчевим.
Кольори поділяються на теплі і холодні.
Предмети, які ми бачимо, здаються нам кольоровими, тому що відбивають світло.
Якщо світло повністю поглинається, то предмет виглядає чорним або темно-сірим. Якщо відбивається світло 570-760 нм, то кольори предметів будуть теплими, якщо довжина хвилі відбитих хвиль 360-570 нм, то холодними.
Сонячне світло здається нам теплим. А сучасні енергозберігаючі лампи мають більш холодне світло.
Як приклади джерел теплого і холодного освітлення розглянемо картини.
Картина Т.Г.Шевченка «Почаївська лавра з півдня».
Пейзаж освітлений теплим сонячним світлом, немов залитий золотом.
Золотистого відтінку набувають дерева, трава і будівлі, навіть на небі помітні теплі відтінки.
А ось приклад холодного освітлення. Картина Богдана Кузіва «Колядники».
На картині зима. Світло холодне. Сніг відбиває світлові хвилі діапазону блакитного, синього, фіолетового кольорів. Навколишні предмети холодного відтінку.
Ми з’ясували залежність забарвлення предметів від освітлення (теплого або холодного).
Тепер уявімо, що ми хочемо написати картину. Якщо з освітленням все зрозуміло, то яким же кольором писати тінь?
Якщо придивитися до кольору тіні, що падає від предмета, то ми побачимо деякі закономірності. Світло і тінь взаємозв’язані.
Художники користуються такими правилами:
1. Якщо освітлення тепле, то в тіні з’являються холодні відтінки, і навпаки, якщо освітлення холодне, в тіні виникнуть теплі відтінки.
2. У тіні з’являються відтінки протилежні на колірному спектрі локального кольору предмета.
3. Освітлений теплим світлом предмет, який має теплий локальний колір, на світлі стає ще яскравішим і насиченим, а предмет, що має холодний локальний колір, стає ближче до ахроматичного кольору, рівному за тоном.
До прикладу картина художника Віктора Корольчука «Зимка». Ми бачимо, що світла частина предметів залита теплим золотавим світлом, а тіньова – холодним блакитним.
Колір світла і тіні, дійсно становлять додаткові кольори (по колірному кругу) . Жовтий і блакитний, теплий рожевий і холодний синьо-фіолетовий.
Розглянемо ці правила з точки зору фізики. Третє правило зрозуміле. Частина предмета, звернена до джерела світла більшою мірою відбиває світлові промені і тому здається яскравішою і насиченішою.
А от перше і друге правило не так очевидні і до кінця ще не вивчені.
Можливі теми для дослідження:
1) Співвідношення світла і тіні на картинах українських художників. Пояснення з точки зору фізики.
2) Освітлення картин та інших предметів мистецтва в музеях і на виставках.
Творче завдання.
Розглянути ряд картин. Описати вид джерела світла, колір освітленої та тіньової частини предметів на картині. Проаналізувати з точки зору фізики.
Сонце – джерело світла
Сонце – природне джерело світла на Землі. Ми бачимо світло від Сонця жовтим. Таким же воно зображене і на картинах художників – жовтим, золотавим або помаранчевим.
Але, насправді, колір Сонця – білий. Таким його бачать космонавти. Він складається з електромагнітних хвиль різних частот. Сонячне світло набуває жовтого кольору, проходячи через атмосферу.
Розглянемо чому на заході і світанку небо забарвлюється в різні кольори від фіолетового до бордового, червоного.
Звичайно ж, це відбувається через обертання нашої Землі.
Якщо на деяку поверхню Землі перпендикулярно потрапляє сонячне проміння, небо забарвлене блакитним кольором (день). По мірі повороту Землі, сонячним променям, щоб досягти спостерігача в цій точці, доводиться долати більшу товщину атмосфери. Блакитним та синіх променів це не під силу. Долають відстань промені, які відповідають хвилям більшої довжини. Тому, якщо наступає захід сонця, то небо забарвлюється в зеленуватий, потім жовтий, червоний, і, нарешті, багряний кольори. На світанку все відбувається в зворотному порядку.
Розглянемо світанок і захід сонця на картинах українських художників.
Валентин Влащенко «Ранок на березі».
Віталій Бигич «Вечірні Карпати».
У світанку і заходу сонця є відмінності в кольоровій гамі.
У світанку більш ніжні кольори, у заходу – густіші і насичені, тому що повітря прогрівається за день, зменшується вологість повітря. Крім того вранці повітря чистіше, а ввечері більше пилу.
Теми для дослідження.
Сонце як джерело світла.
Природні оптичні явища.
Творче завдання.
У літній ясний день сонячне світло має велику інтенсивність і містить електромагнітні хвилі різної частоти. Через особливості розсіювання хвиль різного діапазону, нам сонячне світло здається жовтим. Але для того, щоб передати насиченість і різноманіття сонячного спектра, відбивання світлових хвиль навколишніми предметами, художники часто застосовують різнокольорові мазки на яскраво освітлених предметах в сонячний день.
Поспостерігайте такий прийом на картинах художників. Спробуйте передати мазками фарби яскравий сонячний день.
Залежність кольорової гами картини від природних явищ
Навіть при першому погляді на картину стає зрозуміло яка на картині зображена погода.
Юрій Клапоух «Перше тепло».
Дощ на картинах також має свою неповторну чарівність. Через рух крапель дощу виникає відчуття розмитості предметів, яке посилюється в залежності від того, наскільки сильний дощ.
Володимир Боровиковський «Дощ в місті».
Розглянемо ще одне природне і оптичне явище – веселку на картині Бориса Вінтенка «Веселка».
Веселка виникає в результаті розкладання сонячного світла в спектр завдяки його заломленню, відбиттю і дифракції мікрочастинками води, які перебувають у повітрі. На картині спектр видно від синього до червоного.
Багато цікавих природних явищ на картинах художників можна розглядати і пояснювати з точки зору фізики.
Теми для дослідження.
1) Гроза і блискавка на картинах українських художників.
2) Як змінюються кольори предметів коли йде дощ, снігопад.
3) Розглянути різні природні явища на картинах художників. Пояснити з точки зору фізики взаємозв'язок цих явищ і колірного рішення на картині.
Творче завдання.
Спробуйте передати мазками фарби будь-яке природне явище.
Використані Інтернет-сайти:
40 вражаючих фактів про очі, яких ви не знали. – Режим доступу: http://vsviti.com.ua/interesting/health/34133. – Назва з екрану.
Академія кольору. – Режим доступу: https://www.koloristika.in.ua/t_zk.php. – Назва з екрану.
Картини українських художників. – Режим доступу: https://cutt.ly/8wsce4k. – Назва з екрану.
Кольорознавство. – Режим доступу: https://cutt.ly/Dwsca9t. – Назва з екрану.
Хроматичні кольори. – Режим доступу: https://cutt.ly/Qwscdw7. – Назва з екрану.
Почаївська лавра з півдня. – Режим доступу: https://cutt.ly/twscfPT. – Назва з екрану.
Різдво на картинах українських художників. – Режим доступу: https://cutt.ly/xwschPw. Назва з екрану.
Музей Осмьоркіна презентує «Квітучу Україну» в Кропивницькому. – Режим доступу: http://prostir.museum/ua/post/40985. Назва з екрану.