Исследовательская работа по теме "Физика иллюзий. Иллюзия обмана"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ШКОЛА №9» ГОРОДА СМОЛЕНСКА

Физика иллюзий. Иллюзия обмана

(учебное исследование)

Выполнили работу: Бадюлина Варвара Андреевна,

Петрова Кристина Александровна,

учащиеся 11 класса

Руководители: Емельянова Елена Сергеевна,

Львова Наталья Вячеславовна,

учителя физики

Смоленск

2018

Содержание

Введение………………………………………………………………………. 2

Что такое зрительная иллюзия?....................................................................... 4

Виды зрительных иллюзий………………………………………………….. 5

Комната Эймса……………………………………………………………….. 13

Стереоэффект………………………………………………………………… 14

Оптические иллюзии………………………………………………………… 15

Стробоскоп…………………………………………………………………… 17

Вывод…………………………………………………………………………. 18

Список литературы…………………………………………………………... 19

Введение

С самими иллюзиями нам приходится сталкиваться чуть ли не каждый день, но вряд ли мы их вообще замечаем или расцениваем как иллюзии.

Почему иллюзии так интересны? Почему так много художников используют их в своих произведениях? Возможно, потому что они показывают не то, что нарисовано на самом деле

Действительно, разве мы задумываемся над тем, что изображение на экране в кино, либо в телевизоре это ряд сменяющихся кадров, сливающихся в движущуюся картинку только благодаря особенностям наших глаз? Или, глядя в зеркало, вспоминаем, что видим в нем мнимые изображения предметов, да и самих себя?

Большинство обманов зрения, зависит от того, что мы не только смотрим, но и бессознательно при этом рассуждаем. "Мы смотрим не глазами, а мозгом", - говорят физиологи. Вы охотно согласитесь с этим, когда познакомитесь с иллюзиями, где воображение смотрящего сознательно участвует в процессе зрения.

Зрительные иллюзии разнообразны по своему характеру и по причинам, лежащим в их основе. Наше восприятие обманчиво, и многое оказывается совсем не тем, чем, кажется на первый взгляд. Даже самые простые вещи могут таить в себе самые неожиданные открытия, нужно только лучше присмотреться.

Актуальность нашей работы состоит в том, что в современной жизни мы наблюдаем всё больше и больше иллюзий, но не можем объяснить их, а иногда и вовсе не понимаем, что видим перед собой. Например, вы не могли на первый взгляд указать хотя бы примерный размер комнаты – уж слишком противоречиво она выглядела. Или случайно попадали на выставку, экспонаты которой буквально не могли существовать, но они прямо перед вами. Зрительные иллюзии постепенно охватывают значимые для человеческой жизни сферы, и на наш взгляд, знать природу зрительных «обманов» и их особенности очень важно для каждого.

Нам стало интересно, знают ли о зрительных иллюзиях школьники, и мы провели небольшой опрос, включающий в себя три вопроса:

1. Знаете ли вы, что такое зрительные иллюзии и можете ли их объяснить?

1. Как часто вы наблюдаете зрительные иллюзии в повседневной жизни?

1. Знаете ли вы сферы применения зрительных иллюзий?

Полученные нами данные ещё больше убедили нас в том, что окружающие знакомы с самим понятием иллюзий, но не знают их природу и не могут объяснить принцип их действия. Это навело нас на мысль о том, что необходимо исследовать это явление с точки зрения физики.

Цель работы: сформировать представление об иллюзиях и объяснить их с помощью законов физики;

Задачи:

1. Изучить литературу по данному вопросу;

2. Классифицировать различные виды зрительных иллюзий;

3. Провести эксперименты с использованием зрительных иллюзий;

4. Сделать вывод о том, каким законам они поддаются;

Гипотеза: зрительные иллюзии можно объяснить с помощью физических законов.

Что такое зрительная иллюзия?

Зрительные иллюзии - (обманы зрения), систематические ошибки зрительного восприятия, а также различные искусственно создаваемые зрительные эффекты и виртуальные образы, основанные на использовании особенностей зрительных механизмов.

Поэт и философ Тит Лукреций Кар, отмечая относительность нашего зрительного восприятия, писал:

«Наши глаза познавать не умеют природу предметов. А потому не навязывай им заблужденье рассудка».

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.

Некоторые зрительные обманы давно уже имеют научное объяснение.

Визуальные парадоксы и каламбуры уже не первое столетие очаровывают и захватывают людей, уводя в мир игры. Исследования феномена оптических иллюзий началось еще в конце XIX века, но до сих пор профессионалы не могут объяснить, как многие из них "работают".

Во второй половине XIX — начале XX веков было создано множество тестовых изображений, демонстрирующих наличие значительных ошибок в оценке размеров и формы геометрических фигур. В основе этих зрительных иллюзий лежит то обстоятельство, что на формирование видимого образа данного объекта всегда в большей или меньшей мере влияют объекты, располагающиеся по соседству с ним в поле зрения. Иными словами, наше зрительное впечатление о величине и форме объекта зависит от контекста, в котором он рассматривается. Это свойство нашего зрения было замечено очень давно. В частности, было обнаружено, что на воспринимаемую длину, кривизну и ориентацию линий большое влияние оказывают размеры фигур, в которые они включены, а также наличие прилегающих или пересекающих линий.

Виды зрительных иллюзий

Все зрительные иллюзии поддаются классификации и условно делятся на следующие группы:

1. Невозможные объекты

2. Зрительные искажения

3. Иллюзии восприятия размера

4. Цвет и контраст

5. Кажущиеся фигуры

6. Восприятие глубины

7. Перевёртыши

8. Двойственные образы

9. Распознавание образов

10. Фигура и фон

11. Движение

1.Невозможные фигуры.

Связаны с расположением линий, которые не создают геометрическую фигуру или рисунок объекта, но мозг воспринимает их именно такими. Речь идет в основном о двусмысленных картинках, которые, на первый взгляд, кажутся "нормальными", но при детальном рассмотрении делаются непонятными, когда осознаешь, что они могут вызывать два противоречивых восприятия. При этом трудноуловим признак, который позволил бы определить, что является фоном, а что – фигурой.

2. Зрительные искажения.

Они связаны с тем, что параллельные прямые кажутся не параллельными, а ровные геометрические фигуры выглядят кривыми.

А). Иллюзия кафе "Wall". Параллельны ли горизонтальные линии? Кажется, что нет. На самом деле они параллельны.

Б). Иллюзия изогнутых квадратов. Узор как бы изгибается вовнутрь. На самом деле квадраты ровные.

3. Восприятие размера.

Она связана с тем, что одинаковые длины при горизонтальном и вертикальном положении или при наличии дополнительных элементов кажутся разными.

А). Иллюзия Мюллера-Лайера. Какой из горизонтальных отрезков длиннее? Кажется, что верхний. На самом деле они равные.

Б). Иллюзия кинескопа. Какая из красных линий длиннее? Кажется, что правая. Нет, они одной длины.

В). Иллюзия Эббингауза. Какой круг больше? Тот, который окружен маленькими кругами или тот, который окружен большими? Кажется, тот, что маленькими. Нет, они одинаковые.

4. Иллюзии цвета и контраста.

Они связаны с тем, что на разном фоне и при разном контрасте происходит искажение правильности восприятия цветов.

5.Кажущиеся, несуществующие фигур.

Они связаны с тем, что на фоне разных объектов и фигур создается впечатление наличия несуществующих фигур. Классический пример - треугольник Каниша. Равностороннего белого треугольника на самом деле нет. Он только кажется.

6.Восприятие глубины.

Они связаны с тем, что при разной фокусировке взгляда поверхность выглядит то выпуклой, то вогнутой. Например, на картинке ниже рабочие выглядят на фоне неба как работающие на крыше, а на фоне земли как работающие на полу. На самом деле поверхность одна и та же на всем протяжении.

7.Перевёртыши.

Связаны с распознаванием различных образов в зависимости от пространственной проекции объекта. Внизу голова французского солдата и, при переворачивании, лошади.

8.Двойственные образы.

На рисунке изображения построены таким образом, что в них можно различить разные образы. Это зависит от сосредоточения и настройки ума на тот или иной образ.

9. Распознание образов.

Возникают при условии, если есть подсказка или известно, что нарисовано. Тогда распознать образ относительно легко. Если не знать, что изображено, то увидеть рисунок образа практически невозможно. Например, ниже на картине берега озера можно просмотреть огромных размеров младенца.

10.Фигура и фон.

Они связаны с тем, что фон можно одновременно воспринимать объектом и наоборот. Классический пример соотношения фигуры и фона ниже: здесь можно увидеть как вазу, так и два лица

11.Движение

Она связана с тем, что узоры статической картинки кажутся движущимися.

А). Иллюзия вращения кругов. Если смотреть на картинку, то складывается ощущение, что круги вращаются, хотя на самом деле изображение статично, это не анимация. Если на некоторое время сосредоточить взгляд в центр картинки, то вращение останавливается.

Б). Иллюзия волн. На самом деле элементы узора статичны. Если на некоторое время сосредоточить взгляд в центр картинки, то "волны" останавливаются.

В). Иллюзия движения по коридору. На самом деле элементы узора статичны. Если сосредоточить взгляд в центр картинки, то через некоторое время движение останавливается.

Г) Фрактальная пульсирующая иллюзия. Если рассматривать картинку, то заметны пульсирующие изменения в ее форме.

Нам стало интересно, есть ли закономерность в том, что видят люди, глядя на графические изображения иллюзий. В своей школе мы провели опрос среди школьников с 4 по 11 класс, показывая им данное изображение. Задачей испытуемых было в течение нескольких секунд смотреть на рисунок и определить, сколько карандашей изображено. Главным критерием опроса являлся пол – мы хотели выяснить, видят ли девочки нечто иное от того, что видят мальчики и наоборот.

Ниже представлена информация в виде графиков:

Подробно анализируя данные, мы пришли к выводу, что пол не влияет на то, что видит каждый отдельный индивид. Все причины заложены внутри головного мозга, и мы делаем вывод, что иллюзии, связанные непосредственно со зрением и графикой не поддаются объяснению с точки зрения физики.

В этой главе мы познакомили вас с иллюзиями, которые можно изобразить на бумаге. Но существуют ещё и такие, в которых можно побывать и которые можно потрогать.

Комната Эймса

Вопросы оптических иллюзий интересовали АдельбертаЭймса-младшего с раннего детства. Став офтальмологом, он не прекратил свои исследования восприятия глубины, результатом которых и стала знаменитая комната Эймса. Комната Эймса – популярная оптическая иллюзия искажения размера.

Как работает комната Эймса

В двух словах эффект комнаты Эймса можно передать так: кажется, что в левом и правом углу ее задней стены стоят два человека – карлик и великан. Разумеется, это оптический трюк, и на самом деле эти люди вполне обычного роста. В действительности помещение имеет вытянутую трапециевидную форму, но из-за ложной перспективы оно кажется нам прямоугольным. Левый угол сильнее удален от взора посетителей, чем правый, а потому стоящий там человек кажется таким маленьким.

Стереоэффект

Стереоэффект — ощущение протяжённости пространства и рельефности, возникающие при наблюдении реальных объектов, рассматривании стереопар, стереофотографий, стереоизображений и голограмм.

Стереоэффект бывает прямой, обратный и нулевой.

Для того чтобы увидеть прямой стереоэффект нужно создать условие, чтобы правый глаз видел только правый снимок, но не видел левого, а левый глаз видел только левый снимок, но не видел правого снимка.

Обратный стереоэффект достигается путём замены правого и левого снимка местами, то есть левый глаз видит правый снимок, а правый глаз – левый. Физиологические параллаксы меняют знак, и наблюдатель видит обратное изображение (например, возвышенности кажутся углублениями и наоборот).

Если оба изображения повернуть на 90 градусов и сместить вверх-вниз относительно друг друга, то будет наблюдаться нулевой стереоэффект - два плоских изображения сольются в одно плоское.

Для получения стереоэффекта необходимо, чтобы:

1. Разность масштабов снимков стереопары не превышала 16 %.

2. Каждым глазом наблюдался только один из снимков.

3. Угол, под которым пересекаются соответственные лучи, не превышал 16°.

4. Положение снимков было согласовано с глазным базисом.

Стереоэффект можно наблюдать не только на изображениях, но и на трехмерных, объемных предметах. Это можно доказать с помощью несложного эксперимента.

«Стереофеномен Пульфриха»

Оборудование: белая нить, грузик, кусок темного стекла

Белый грузик, например пуговицу, диаметром около двух сантиметров закрепите на конце белой нити (лески). Пусть экспериментатор раскачивает нить наподобие маятника. Смотреть на грузик лучше всего на фоне гладкой светлой стены. Наблюдатель отходит на расстояние 1 — 1,5 метра от грузика, раскачиваемого экспериментатором плавно, равномерно и обязательно в одной плоскости. Сначала наблюдатель должен убедиться, что качание действительно происходит в одной плоскости. После этого он ставит перед одним глазом темное стекло (или пластинку, вынутую из противосолнечных очков) и смотрит на маятник обоими глазами.

Наблюдайте очень внимательно, и вы заметите, что маятник теперь качается не в одной плоскости, а как бы по кругу. Поставьте темное стекло перед, другим глазом — круговое движение совершается в противоположном направлении. Этот эффект известен как «СтереофеноменПульфриха».

Как можно его объяснить? Дело в скорости передачи изображений грузика на последовательных отрезках его пути. Считается, что светлое и темное изображения достигают мозга неодновременно (темное позднее), так что в любой данный момент времени происходит слияние различных изображений, поступающих в мозг от правого и левого глаза. Это вызывает появление эффекта глубины, подобного стереоэффекту.

Оптические иллюзии

Оптические иллюзии в классификации стоят неким особняком. С точки зрения физики, глаз – сложный оптический прибор. Как известно, любой прибор можно обмануть, наши глаза не исключение. Если до этого мы воздействовали на глаза и с биологической точки зрения тоже (передача изображения в мозговые центры), то сейчас мы будем обманывать Вас, используя исключительно физические законы.

Если бы мы проводили шоу иллюзионистов, то начали бы с простого, но очень интересного фокуса.

«Пятикратный снимок»

На сцене зрители видят два прямоугольных стекла, соединенных по кромке и образующих угол. Ассистент усаживается в этот угол стекол лицом к залу, спиной к фокуснику. Фокусник демонстрирует залу обыкновенный фотоаппарат, а затем фотографирует ассистента со спины. Но при проявлении фотографии оказывается, что на снимке изображено целых пять изображений! Спина, два изображения 3/4 и два изображения в профиль. В чём подвох?

Всё дело в тех самых стеклах и освещении. В качестве стёкол используются Зеркала Гезелла, обращённые незазеркаленной стороной к зрителям. Часть сцены, где происходит действие, освещена немного сильнее, чтобы усилить зеркальный эффект, а со стороны зрителей усилить ощущение равномерного освещения, так как для них эти стёкла покажутся немного затемнёнными.

С Зеркалами Гезелла мы можем встречаться и в повседневной жизни. Они используются в архитектуре для создания защищенности частной жизни и эстетического вида. Но еще чаще вы наблюдаете такие зеркала на тонированных автомобилях и некоторых солнечных очках. Весь принцип работы таких зеркал закладывается именно в разности освещенности, которая должна соответствовать соотношению 5:1.

«Жидкая монета»

Данный фокус лучше всего проводить не с ассистентом, а с добровольцем из зала, чтобы эффект был более ошеломляющим. Известно, что у веществ есть три агрегатных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Для перехода из твердого состояния в жидкое обычно требуется время и тепловое воздействие. Однако настоящие фокусники умеют делать это быстро и одной лишь силой мысли.

Налейте в чашку воды и бросьте в нее монетку. Посадите добровольца перед чашкой так, чтобы он видел монетку, но не видел дна чашки (для удобства заранее отметьте маркером границу между дном и стенкой). Теперь возьмите спринцовку или шприц и удалите воду – монета исчезнет. Возвращая воду, вернется и монетка.

Этот фокус имеет самое банальное и простое объяснение – закон преломления света. Участок дна m кажется наблюдателю (глаз которого – над водой, в точке А) в приподнятом положении: лучи преломляются и, переходя из воды в воздух, вступают в глаз, как показано на рисунке, а глаз видит участок на продолжении этих линий, т. е. над m. Чем наклоннее идут лучи, тем выше поднимается m.

«Непоседливые стрелки»

В романе Джоан Ролинг «Гарри Поттер» у фотографий и картин была очень интересная особенность – предметы и люди на них двигались и жили своей жизнью. Было бы здорово воплотить такое в жизнь, и любой фокусник умеет это.

Нарисуйте на листке бумаги два изображения друг под другом. Например, две стрелки. Установите изображение вертикально и поставьте перед ним стеклянный стакан или банку. Важное условие: сосуд должен быть без граней. Налейте в сосуд воды так, чтобы нижнее изображение было под водой. А теперь встаньте напротив и посмотрите на лист сквозь сосуд – стрелка поворачивается в другую сторону.

В чём секрет? Наливая воду в стеклянный сосуд, вы создаёте простейшую двояковыпуклую собирающую линзу. Известно, что двояковыпуклая линза ограничена сферической поверхностью и у краёв тоньше, чем в середине. Так как показатели воды и стекла примерно равны, то банку с водой можно считать целостной. Двояковыпуклая собирающая линза создает действительное обратное изображение. Исходя из вышеперечисленного, на стрелку мы смотрим через обыкновенную линзу.

«Исчезающий кролик»

Всем известен фокус с исчезающим в ящике кроликом. Скептики давно раскусили, что секрет фокуса таится не в самом ящике, а в его столе. Иллюзионистам пришлось выкручиваться, и здесь на помощь им снова пришли простейшие законы физики. Теперь этот фокус показывают немного по-другому. Ассистент держит коробку на руках, либо же ставит на табурет или столик, который перед этим был изучен любым желающим. Фокусник открывает верхнюю дверцу и боковую панель коробки, а зрители видят, что она пуста. Для более достоверной информации фокусник обе руки опускает в коробку, и зритель видит обе ладони. Далее обе дверцы закрываются, фокусник произносит волшебные слова, открывает верхнюю дверцу и достаёт кролика, волшебным образом очутившегося в коробке.

Весь секрет кроется в правильном расположении зеркала, которое пересекает коробку по диагонали. Когда фокусник опускает руки в коробку, зритель видит лишь отражение одной руки, но из-за расстояния уловить этого практически невозможно. За само зеркало можно спрятать что угодно, всё зависит от степени размера коробки.

Стробоскоп

Стробоскоп (от греч.στρόβος — «кружение», «беспорядочное движение» и σκοπέω — «смотрю») — прибор, позволяющий быстро воспроизводить повторяющиеся яркие световые импульсы.

Стробоскопический эффект — это возникновение зрительной иллюзии неподвижности предмета или его мнимого движения при его прерывистом визуальном наблюдении.

Этот эффект возникает из-за инертности человеческого зрения, когда движение объекта наблюдается не непрерывно, а отдельными фрагментами. Примером может служить кинофильм. При просмотре статичные картинки меняются так быстро, что глаз не успевает проследить за их сменой, и возникает впечатление постоянного движения изображения.

Современные стробоскопы принимают самые различные формы: всё зависит от целей их использования. Например, стробоскопы в виде пистолета применяют для настроек зажигания в автомобилестроении, лампы-стробоскопы чаще всего можно увидеть на дискотеках. Ленточные стробоскопы используются в рекламных роликах и установках, а так же в цирках и самостоятельными артистами для создания потрясающих иллюзий.

Очень часто стробоскоп способен сотворить в буквальном смысле чудо, которому не все верят и воспринимают фокус как компьютерную графику. Как, например, произошло в фильме «Иллюзия обмана 2» Джонатана Мюррея Чу. Над фильмом помогал вести работу сам Дэвид Копперфильд, который затем и рассказал публике, что фокусы в ленте были настоящими.

Всё дело в том, что в конце фильма один из фокусников спорит с природой и управляет каплями дождя, заставляя их двигаться, либо и вовсе застыть в воздухе. И хотя почти сразу он объясняет принцип трюка, зрители фильма относятся к этому скептически. Виной этого скепсиса является незнание физики. На самом деле, фокус был проделан следующим образом: на крыше были установлены специальные дождевальные машины, которые увеличивали капли дождя, делая их более заметными, а так же увеличивая частоту падающих капель. Вдоль тротуара под правильным углом были уложены ленточные стробоскопы, принцип работы которых был описан выше. Вот и весь фокус! Самом фокуснику лишь остается добавить артистичности, придавая спектаклю правдивости, а его ассистенту (а всем известно, что ассистент часто играет более значимую роль, чем сам фокусник) включить стробоскоп вовремя.

При включении стробоскопа, он начинает воспроизводить световые импульсы на большой частоте (до 100 Гц). Так как стробоскопический эффект возникает при наложении частоты импульсов и частоты движения объекта, то зрителям кажется, что капли зависают в воздухе.

Вывод

Проводя исследование, мы изучили некоторые виды иллюзий, пытаясь выявить их природу, закономерности. В начале работы нами была выдвинута гипотеза, что все зрительные иллюзии можно объяснить с помощью физических законов.В процессе реализации исследования, нами было установлено следующее утверждение: зрительные иллюзии, создающиеся светом и зеркалами, носят оптическую природу и поддаются законам геометрической оптики. В свою очередь остальные зрительные иллюзии носят иной характер и зависят от особенностей зрения и работы мозга каждого конкретного индивида и более подробно изучаются биологами и медиками.

Список литературы

1. http://brainden.com/golovolomki/visual-illusions.htm

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическая_иллюзия

3. http://www.illuzi.ru

4. «Занимательная физика» Я. И. Перельман; МОСКВА 1994, АО «СТОЛЕТИЕ»

5. Физика 8 класс, А. В. Перышкин; Дрофа 2014;

6. Физика 11 класс, Г.Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев; Просвещение 2015;