Научно-исследовательская деятельность по физике на тему: "Оптические иллюзии" (7 класс)

МОУ «Гимназия № 20»

Исследовательская работа по физике

Тема

Выполнили ученики 7 «Б» класса

МОУ «Гимназии № 20»

Белоключевский Григорий и

Зыков Антон

Руководитель: Наумкина Е.В.

Саранск 2015

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Понятие оптической иллюзии и причины их возникновения…………………4

2. Строение глаза…………………………………………………………………....7

3. Естественные иллюзии

3.1.Иррадация………………………………………………………………...9

3.2. Слепое пятно……………………………………………………………..11

4. Искусственные иллюзии

4.1. Опыт с разрезанием руки человека…………………………………….12

5. Опыты, подтверждающие наличие иллюзий

5.1. Опыт с появлением изображения на стене…………………………….13

5.2. Опыт с исчезновением серой ауры вокруг черной точки…………….14

6. Интересные факты………………………………………………………………15

7. Заключение………………………………………………………………………17

Введение

Цель работы: доказать то, что иллюзия в реальной жизни существует.

Задачи:

1. Изучить литературу по теме

2. Сформировать понятие «иллюзия»

3. Выяснить причины их появления

4. Пронаблюдать иллюзии

Гипотеза:

Наша жизнь полна неожиданностей, и основное место в нем, конечно же, занимают иллюзии. Но что значит иллюзия? В толковом словаре С. И. Ожегова дано понятие слову иллюзия. Иллюзия – обман чувств, нечто кажущееся; болезненное состояние – ошибочное восприятие предметов, явлений, нечто несбыточное, мечта. По моему мнению это, прежде всего, оптический обман. Для некоторых оптических обманов не предложено до сих пор никакого объяснения. Для иных, наоборот, имеется слишком много объяснений, из которых каждое в отдельности было бы, пожалуй, достаточно, если бы не существовало ряда других, ослабляющих его убедительность. Вспомним знаменитую, обсуждаемую уже со времени Птолемея иллюзию увеличения светил у горизонта: для нее предложено, кажется, не менее шести удачных теорий, каждая из которых страдает лишь тем недостатком, что имеется еще пять столь же хороших объяснений... Очевидно, почти вся область оптических обманов находится еще на донаучной стадии своей разработки и нуждается в установлении основных методических принципов ее исследования.

1 Понятие оптической иллюзии и причины их возникновения

Оптической иллюзией называется несоответствующее действительности представление видимого явления или предмета вследствие особенностей строения нашего зрительного аппарата. Попросту говоря - это неверное представление реальности. (Важно отметить, что здесь не имеются в виду несоответствия, которые связаны с индивидуальными нарушениями зрения, например, с дальтонизмом).

Почему возникают оптические иллюзии? Зрительный аппарат человека - сложно устроенная система со вполне определенным пределом функциональных возможностей. В нее входят: глаза, нервные клетки, по которым сигнал передается от глаза к мозгу, и часть мозга, отвечающая за зрительное восприятие. В связи с этим выделяются три основные причины иллюзии:

1) наши глаза так воспринимают идущий от предмета свет, что в мозг приходит ошибочная информация;

2) при нарушении передачи информационных сигналов по нервам происходят сбои, что опять же приводит к ошибочному восприятию;

3) мозг не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз.

Часто оптические иллюзии возникают сразу по двум причинам: являются результатом специфической работы глаза и ошибочного преобразования сигнала мозгом.

По происхождению оптические иллюзии делятся на три вида:

• естественные или созданные природой (например, мираж);

• искусственные или придуманные человеком (например, фокус “левитация” или, как говорят в народе, “летающая дама);

• смешанные, то есть естественные иллюзии, воссозданные человеком (например, известные иллюзионные картинки, модель миража).

Между естественными и искусственными иллюзиями есть существенное различие. Если иллюзия придумана человеком, то она обязательно имеет конструктивный секрет и после сообщения его наблюдателю во многом теряет свою загадочность. Естественные же и смешанные иллюзии не изменяют силы своего воздействия, независимо от того, знает наблюдатель их секрет или нет.

Нужно отметить, что оптические иллюзии рождаются не обязательно в результате игры света и тени. Так, в основе уже упомянутой иллюзии «летающая дама» лежит хитроумная механическая конструкция.

Рисунок 1

Что вы видите на этом рисунке: вазу или два силуэта?

Рисунок 2

Высота этой фигуры кажется больше ее ширины. На самом деле они равны.

2 Строение глаза

Рисунок 3

Глаз - это сложная оптическая система. Световые лучи попадают от окружающих предметов в глаз через роговицу. Роговица в оптическом смысле - это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи. Причем оптическая сила роговицы в норме не меняется и дает всегда постоянную степень преломления. Склера является непрозрачной наружной оболочкой глаза, соответственно, она не принимает участия в проведении света внутрь глаза. Преломившись на передней и задней поверхности роговицы, световые лучи проходят беспрепятственно через прозрачную жидкость, заполняющую переднюю камеру, вплоть до радужки. Зрачок, круглое отверстие в радужке, позволяет центрально расположенным лучам продолжить свое путешествие внутрь глаза. Таким образом, зрачок не только регулирует величину светового потока на сетчатку, что важно для приспособления к разным уровням освещенности, но и отсеивает боковые, случайные, вызывающие искажения лучи. Далее свет преломляется хрусталиком. Хрусталик тоже линза, как и роговица. Его принципиальное отличие в том, что у людей до 40 лет хрусталик способен менять свою оптическую силу - феномен, называемый аккомодацией. Таким образом, хрусталик производит более точную дофокусировку. За хрусталиком расположено стекловидное тело, которое распространяется вплоть до сетчатки и заполняет собой большой объем глазного яблока. Лучи света, сфокусированные оптической системой глаза, попадают в конечном итоге на сетчатку. Сетчатка служит своего рода шарообразным экраном, на который проецируется окружающий мир. Роговица и хрусталик - это две собирательные линзы, и изображение, проецируемое на сетчатку, также перевернутое. Другими словами, небо проецируется на нижнюю половину сетчатки, море - на верхнюю, а корабль, на который мы смотрим, отображается на макуле. Макула, центральная часть сетчатки, отвечает за высокую остроту зрения. Другие части сетчатки не позволят нам ни читать, ни наслаждаться работой на компьютере. Только в макуле созданы все условия для восприятия мелких деталей предметов. В сетчатке оптическая информация воспринимается светочувствительными нервными клетками, кодируется в последовательность электрических импульсов и передается по зрительному нерву в головной мозг для окончательной обработки и сознательного восприятия.

Глаз человека, обеспечивающий зрительное восприя­тие окружающего мира, представляет собой исключи­тельно сложное образование. Его роль заключается в том, чтобы точно фиксировать форму, цвет и взаиморас­положение предметов в пространстве. Это ворота, через которые световые сигналы извне поступают в централь­ную нервную систему.

3 Естественные иллюзии

3.1 Иррадиация

Рассмотрим одну из самых распространенных иллюзий. При рассматривании издали белые фигуры внизу — круг и квадрат — кажутся крупнее черных, хотя те и другие равны. Чем больше расстояние, тем иллюзия сильнее. Явление это называется иррадиацией. Иррадиация обусловлена тем, что каждая светлая точка предмета дает на сетчатке нашего глаза не точку, а маленький кружок (вследствие так называемой сферической аберрации); поэтому светлая поверхность окаймляется на сетчатке светлой полоской, увеличивающей занимаемое ею место. Черные же поверхности дают изображения, уменьшенные за счет светлой каймы окружающего фона.

Рисунок 4

Рисунок 5

Эти буквы кажутся косо расположенными. На самом деле это не так.

Рисунок 6

Длинные косые линии на этом рисунке в действительности параллельны.

3.2 Слепое пятно

Естественные иллюзии появляются из-за особенностей в строении нашего зрительного аппарата. На поверхности сетчатки, у основания зрительного нерва, есть участок лишенный чувствительных к свету клеток. Лучи, приходящие в эту зону, не воспринимаются нами. Мы можем «терять» элементы окружающей нас картинки, если они совпадают со слепым пятном. Чтобы подтвердить это явление проведем эксперимент. Закрыв правый глаз, смотрите левым на верхний крестик, с расстояния 20 - 25 сантиметров. Вы заметите, что средний большой белый кружок исчезает совершенно, хотя оба меньших кружка по бокам его хорошо видны. Если, не меняя положения рисунка, смотреть на нижний крестик, кружок исчезает только отчасти. Этот опыт носит имя своего создателя – Мариотта. Исчезновение элементов в этом опыте обусловлено тем, что при указанном положении глаза относительно фигуры изображение кружка попадает на так называемое слепое пятно - место входа зрительного нерва, нечувствительное к световым раздражениям.

Рисунок 7

4. Искусственные иллюзии

4.1. Опыт с разрезанием руки человека

Мы повторили опыт с разрезанием руки человека. Суть опыта заключается в том, что с расстояния в 1м нельзя отличить подмену настоящего предмета его изображением, если оно выполнено на матовой бумаге в натуральную величину и помещено в небольшой черный ящик. Подмена возможна потому, что черный ящик при наблюдении не дает включить механизм бинокулярного стереовидения, а следовательно, объемную картинку нельзя отличить от её плоской копии. Эта иллюзия является наиболее эффектной из искусственных иллюзий. К тому же её сложность позволяет поставить её в кабинете физики. Мы сделали изображение предмета – кисть руки, “ прокатив” собственную руку на ксероксе. Наиболее естественный цвет кисти получился, когда руку положили на белую ткань. После этого мы начали разрезать руку. С расстояния, более 1 метра казалось, что мы разрезали настоящую руку, но это было не так. В итоге, рука осталась целой и невредимой.

5 Опыты, подтверждающие наличие иллюзий

Рассмотрим несколько опытов, подтверждающих наличие иллюзий.

5.1 Опыт с появлением изображения на стене

Суть опыта заключается в том, что необходимо расслабиться и смотреть, не отрываясь, 30 секунд на 4 маленькие точки в центре. Затем необходимо медленно перевести взгляд на стену или что – то большое и одноцветное возле себя. Вы увидите, как образуется светлый круг. Затем необходимо пару раз моргнуть, и вы увидите, как в этом кругу образуется фигура.

Рисунок 8

5.2 Опыт с исчезновением серой ауры вокруг черной точки

Суть этого опыта состоит в том, что необходимо сосредоточенно смотреть не черную точку, и через некоторое время вы увидите, как исчезнет серая аура вокруг черной точки.

Рисунок 9

6 Интересные факты

Многие слышали легенду о «Летучем голландце», в существование которого в прошлые века верили моряки всего земного шара, - призрачном парусном судне необычайно больших размеров без видимой команды на борту. Оно внезапно появлялось, безмолвно плыло, не отвечая на сигналы, и также внезапно исчезало. Встреча с «Летучим голландцем» считалась роковой, надо было ждать шторма или другой беды.

Что же в действительности представлял собой «Летучий голландец»? Это был, без сомнения, верхний мираж, то есть изображение какого – либо обыкновенного парусного судна, находящегося где – то далеко за горизонтом, а его увеличенное и искаженное изображение появлялось в воздухе. Теперь «Летучий голландец» в виде парусного судна уже не появляется, поскольку парусные суда стали редкостью. Увидеть же миражи судов, плывущих за видимым горизонтом, можно довольно часто.

Оазисы в Сахаре редки. Когда перед измученным долгой дорогой путешественником возникают на горизонте желанные очертания оазиса, проводник – араб лишь отрицательно качает головой. Он знает, что до оазиса еще десятки километров пути под палящим солнцем, а то, что путник «видит» собственными глазами, всего лишь мираж. Этот оптический обман порой вводит в заблуждение даже опытных людей. Бывалые путешественники, прошедшие по пескам не один экспедиционный маршрут и не один год изучавшие пустыню, случалось, тоже становились жертвами миражей. Во власть миража попадали иной раз и опытные проводники караванов. Однажды 60 человек и 90 верблюдов погибли в пустыне, следуя за миражом, который увлек их на 60 км в сторону от колодца.

Весной во время тумана на Шпицбергене можно наблюдать необычное оптическое явление, которое именуется глория. Низкое полярное солнце отбрасывает не пелену тумана и низкие облака длинные тени предметов, которые окружены радужным контуром. Известный полярный исследователь Руал Амундсен, совершивший посадку на самолете во льдах к северу от Шпицбергена, так описывал глорию: «В стороне от нас, в тумане, я увидел полное отражение нашей машины, окруженное ореолом всех цветов радуги. Зрелище изумительное, красивое и своеобразное».

7 Заключение

Итак, мы убедились в том, что, все – таки, иллюзии существуют, продемонстрировав опыт с разрезанием руки человека, но не стоит забывать, что 90% информации приходит в наш мозг через глаза. Даже если человек живет без розовых очков, он не всегда сможет реально оценить увиденную ситуацию. Так устроен наш глаз. Зная особенности зрения, человек может анализировать получаемую картинку, понимать, когда глаза его обманывают, а когда изображение полностью реально. Подобные знания могут существенно облегчить жизнь, избавив от неприятностей, связанных со зрительными обманами. Помогут лучше понимать некоторые природные явления, устройства некоторых предметов (светофор). Не стоит забывать, что оптические иллюзии сопровождают нас в течение всей жизни. Поэтому знание основных их видов, причин и возможных последствий необходимо каждому человеку.