추가 : 설치없이 웹상에서 실행되는 프로그램은 본문 아래쪽에 있습니다.
빛의 합성을 가르칠때 어째서 4가지나 5가지가 아니라 딱 3가지 색만을 이용해서 모든 빛을 합성할 수 있는지에 대해 설명하려고 만들었다. 빛의 삼원색 합성을 그냥 외워도 되지만 과학은 암기 과목이 아니므로 이해를 하는 것이 중요하다.
사실 우리 망막에는 적원뿔세포, 녹원뿔세포, 청원뿔세포들이 모여있고 각각의 원뿔세포는 3가지색(적색,녹색,청색)을 각각 인식하기 때문에 빛의삼원색이 생겨난 것이다.
어렵게 생각하면 어렵지만 쉽게 생각하면 쉽다. 학생들에게 그냥 우리 눈에는 3개의 스위치가 있다고 설명한다. 그리고 그 스위치를 켜면 그 색깔을 뇌에서 인식하는데, 스위치 2개나 3개를 동시에 켜면 합성된 색으로 인식한다고 설명한다. 실제는 on/off 처럼 디지털이 아니라 아날로그이기 때문에 우리가 인식하는 색은 조금 더 복잡하다. 하지만 처음에 가르칠때는 디지털 처럼 on/off로 설명하면 좋다.
아래 그림처럼 원뿔 빨간색을 인식하는 원뿔세포는 빨간색 파장만 인식하는 것이 아니라 정상분포 곡선으로 주변에 다른 파장도 인식한다.
그래서 수업시간에 다음과 같이 가르친다.
우리는 눈으로 빛이 들어오면 볼 수 있다는 것을 배웠다.
그렇다면 색은 어떻게 인식하게 될까? 그건 간단하다. 망막에는 3가지 색을 감지하는 각각의 원뿔세포가 존재하는데, 이 원뿔세포는 그냥 색을 감지하는 기계장치 처럼 빨강,초록,파랑색 빛이 들어오면 각자가 자신의 색을 인식해서 반응한다. (단순하게 스위치라고 생각해도 좋다.)
빨간색 빛이 들어오면 빨간색을 인식하는 원뿔세포(적원뿔세포)만이 작동을 한다. 그럼 우리는 뇌에서 빨간색을 인식하게 된다. 초록색 빛이 들어오면 초록색을 인식하는 원뿔세포(녹원뿔세포)가, 파란색 빛이 들어오면 파란색을 인식하는 청원뿔세포가 작동한다. (사실은 위 그래프 처럼 정상분포 곡선으로 인식하지만 중학교에서는 그냥 스위치처럼 가르치는 것이 좋다. 심지어 수업시간에 이렇게 설명하기도 한다. 망막에 난쟁이들이 살고 있는데 꾸벅 꾸벅 졸고 있다가 빨간색 빛이 들어오면 빨간색 스위치를 켠다. 그런데 노란색 빛이 들어오면 노란색 스위치가 없으니까 고민하다가 빨간색과 초록색 스위치를 켠다)
그럼 이 3가지 외에 다른색이 들어오면 어떻게 될까? 예를 들어 노란색 빛이 들어오면 위 그림에서 보듯이 빨간색을 인식하는 원뿔세포(적원뿔세포)와 초록색을 인식하는 원뿔세포(녹원뿔세포)가 동시에 작동을 한다. 그럼 우리 뇌에서는 노란색으로 보게 되는 것이다.
이는 재미있는 현상을 만들어 낼 수 있다. 노란색 빛을 비추지 않고도 노란색 빛을 보게 할 수 있는 것이다. 간단하다. 망막에 있는 적원뿔세포와 녹원뿔세포만 작동시키면 된다. 즉 빨간색 빛과 초록색 빛을 동시에 망막에 비춰 주면 기계적(?)으로 적원뿔세포와 녹원뿔세포가 작동하게 되고 시신경을 통해 뇌로 정보를 전달하면 우리는 노란색으로 보게 되는 것이다.
복잡하게 생각하지 말자, 그냥 우리눈은 기계장치라고 생각하자. 그리고 눈으로 어떤 색의 빛이 들어왔는지 상관없이 어떤 원뿔세포가 작동하는지만 알아내면 우리가 보고 있는 색을 알 수 있다. 그래서 탄생한 것이 빛의 삼원색이다.
빛의 삼원색을 적당히 잘 섞어서 눈으로 보내서 적,녹,청원뿔세포를 스위치처럼 적당히 작동시키면 우리 뇌에서는 모든색을 합성해서 볼 수 있게 되는 것이다.
(여담 : 뒤통수를 세기 맞으면 별이 보일까? 뒤통수를 세게 맞으면 빛이 들어오지도 않았는데 시신경이 반응(오작동?)을 해서 뇌로 정보를 보내게 되고 그럼 우리 뇌는 무엇(별)을 본 것처럼 순간적으로 반응하게 되는 것이다. 즉 스위치들이 충격을 받아 오작동을 했지만 뇌에서는 신호가 들어온걸로 인식하고 강한 빛을 본것처럼 인식하는 것이다.)
<추가> 웹상에서 바로 실행되는 프로그램 만들어 추가했습니다. 아래 링크 누르면 실행 됩니다.
https://sciencej1.cafe24.com/html5/3color/kjs_3colorin.html
적,녹,청 모든 원뿔세포가 동시에 작동하면 하얀색으로 모두 작동하지 않으면 검은색으로, 적,녹이 작동하면 노란색, 녹,청이 작동하면 청록색, 적,청이 작동하면 자홍색으로 보게 된다. 그리고 각각의 빛의 세기가 달라지면 그 중간색들을 보게 되는 것이다.
말로 설명하던 것을 프로그램으로 만들었다. 위에서 설명한 방법을 쉽게 설명하기 위해서다.
프로그램을 실행시키고, 빛의 삼원색 손전등을 비춰 가면서 뇌에서 어떤색으로 보이게 될지 생각해 보게 하자. 그냥 우리 눈은 3가지 색만을 인식하는 단순한 기계장치라고 생각하고 접근해 보자.
<프로그램 사용 팁>
1. 처음에 실행시키고 각각의 손전등을 켜서 망막에 있는 어떤 원추세포가 기계적으로 작동할지를 우측상단에 감지되는색을 보면서 생각해 보자.
2. 눈에 보이는 색을 눌러 실제 뇌에서 어떻게 보이는지 확인해 보자.
3. 조명색 보기를 누르면 빛의 경로에 나타나는 색도 볼 수 있다.
4. 손전등은 선택해서 켜거나 끌 수 있고, 회전도 시킬 수 있다.
* 처음에는 눈에다 직접 비췄는데 이건 오개념을 형성할 수 있다. 그래서 급하게 눈 앞에 동그란 물체를 만들고 둥근 물체를 보고 있는 상황이라고 설명하고 있다.
<추가> 빛의 삼원색 인식 가상실험(반사) 프로그램도 추가로 만들어서 첨부화일에 함께 올려 놓았습니다.
웹상에서 실행되는 프로그램은 아래 링크 누르면 실행 됩니다.
https://sciencej1.cafe24.com/html5/3color/kjs_3colorban.html
추가 : 노란색 단파장의 빛을 보는 것과, 빨간색, 초록색 합성된 빛을 보는 것의 차이는?
사실 우리가 인식하는 데는 차이가 없다. 왜냐하면 두 빛 다 적원뿔세포와 녹원뿔세포를 자극하기 때문에 우리 뇌에서는 노란색으로 보이기 때문이다.
하지만 만약 적색 단파장만 반사하는 스크린의 경우에는 달라진다. 노란색 단파장의 빛은 적색을 반사하지 못한다. 따라서 검은색으로 보인다. 반면에 위 실험처럼 빨간색과 초록색의 합성된 빛의 경우에는 빨간색이 반사되기 때문에 빨간색을 볼 수 있다.
하지만 일상생활에서 그런경우를 보기는 쉽지 않다. 레이져가 아닌 이상 대부분의 빛은 노란색 파장을 중심으로 정상분포 곡선으로 나오기 때문이다. 즉 어느정도 빨간색과 초록색 파장도 함께 나온다.
