Научно - исследовательская работа "Оптические иллюзии"

Научно-Практическая работа по теме «Оптические Иллюзии»

Выполнила: ученица 6 «Б» класса МАОУ «ЛИТ»

Богатырёва Даниэлла

Проверила: Дубинская И.А.

Содержание

• Введение 3
• 1. Понятие оптической иллюзии. Виды оптических иллюзий 5
• 2. Естественные иллюзии 8
• 3. Примеры классических и современных иллюзий 13
• Заключение 25
• Список литературы 26

Введение

• Целью данной работы является изучение природы оптических иллюзий, их видов и причин, обусловливающих их возникновение.
• Объектом исследования являются оптические иллюзии .
• Известно, что наше зрение несовершенно и иногда мы видим не то, что существует в действительности. Но тот факт, что огромное большинство людей получают иногда одинаковые ошибочные зрительные впечатления, говорит об объективности нашего зрения и о том, что оно, дополняемое мышлением и практикой, дает нам относительно точные сведения о предметах внешнего мира. С другой стороны, тот факт, что разные люди в процессе зрительного восприятия обладают различной способностью ошибаться, иногда видят в предметах то, чего другие не замечают, говорит о субъективности наших зрительных ощущений и об их относительности.
• Говоря в общем о причинах зрительных иллюзий (ошибок, обманов), следует, во-первых, указать, что иногда они появляются вследствие специально созданных, особых условий наблюдения, например: наблюдение одним глазом, наблюдение при неподвижных осях глаз, наблюдение через щель и т.п. Такие иллюзии исчезают при устранении необычных условий наблюдения.
• Во-вторых, подавляющее большинство иллюзий зрения возникает не из-за оптического совершенства глаза, а из-за ложного суждения о видимом, поэтому можно считать, что обман здесь возникает при осмысливании зрительного образа. Такие иллюзии исчезают при изменении условий наблюдения, при выполнении простейших сравнительных измерений, при исключении некоторых факторов, мешающих правильному восприятию.
• Наконец, известен ряд иллюзий, обусловленных и оптическим несовершенством глаза, некоторыми особыми свойствами различных анализаторов, участвующих в зрительном процессе (сетчатка, рефлексы нервов).

Понятие оптической иллюзии. Виды оптических иллюзий

• 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?
• За зрительное восприятие отвечает вся система зрительного аппарата, включающая глаза, нервные клетки и окончания, благодаря которым зрительный сигнал поступает в мозг, и непосредственно та часть мозга, которая и отвечает за визуальное восприятие явлений или предметов.
• Удивительным феноменом считается известная со времён Птолемея, иллюзия восприятия небесных светил в увеличенном объёме в момент нахождения их у линии горизонта (рисунок 1).
• Немало учёных находили достойные и убедительные объяснения этому явлению, однако проходило время, и появлялись новые, такие же «достоверные» теории.

• Это говорит только о том, что в области оптических иллюзий существует ещё множество возможностей для изучения.
• Учёные и врачи подразделили (условно) причины, по которым возникают любые виды оптических иллюзий, на три типа:
• - первая причина состоит в том, что зрительная система воспринимает отражающийся от предметов свет, таким образом, что сознание человека получает ошибочную (мнимую) информацию.
• - вторая причина заключается в ошибочной, неправильной передаче сигналов зрения посредством нервов, в результате мозг также получает неправильную информацию, что приводит к мнимому, искажённому восприятию.
•  
• - третья причина основана на нарушениях мозга (сбоях мозговой деятельности), который выдаёт неправильную реакцию.
• 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.

Естественные иллюзии.Иррадиация

• 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.
• Чтобы подтвердить наличие иррадиации у всех без исключения людей был проведен эксперимент. Бригаде рабочих поручили переносить коробки одинаковых размеров и формы. Половина коробок была выкрашена в белый, а другая половина в черный цвета. Рабочие в начале перенесли черные коробки. Объяснили же они это тем, что черные коробки кажутся меньше белых.

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 можно провести следующий эксперимент.
• Закрыв правый глаз, нужно посмотреть левым на верхний крестик, с расстояния 20 - 25 сантиметров.
• Можно заметить, 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 этих опытах 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.

Астигматизм

• Астигматизм, - это неодинаковая выпуклостью роговой оболочки глаза в различных направлениях (вертикальном, горизонтальном). Редкий глаз вполне свободен от этого несовершенства. Приблизительно 10% всех людей страдают врожденным астигматизмом. Рассмотрим ещё одну иллюзию, связанную с астигматизмом. Фигура, изображенная на рисунке 4 дает другой способ обнаружить астигматизм глаза
• Приближая ее к исследуемому глазу (закрыв другой), на некотором, довольно близком, расстоянии, сосредоточив взгляд на белом квадратике вверху, вы приблизительно через полминуты заметите, что нижняя белая полоса исчезнет (вследствие утомления сетчатки).

Иллюзия цвета

• Иллюзия света хорошо демонстрируется следующим опытом. При помощи двух осветителей необходимо освещать некоторое небольшое препятствие, например, вертикально поставленную линейку. Осветители ставятся на некотором расстоянии друг от друга (около 20 см) и на белом экране наблюдается тень от препятствия и две полутени. В один осветитель вставляется красный светофильтр, а в другой зеленый. Полутени соответственно окрасятся в те же цвета. После этого вытащим один из светофильтров, а полутень с его цветом останется. Это одна из самых эффектных естественных иллюзий. Природа возникновения цветного изображения в первой и во второй части опыта различна. В первом случае цветная тень является результатом того, что источник света «протяженный» и бихроматичный; во втором случае появление цветной полутени связанно с особенностями нашего восприятия, то есть видимость цвета – это иллюзия.
• Для этой демонстрации можно использовать светофильтры любых цветов. Но наилучший результат получается с красным и зеленым. Эти два цвета вызывают наибольшее раздражение, наш глаз наиболее чувствителен к ним. Именно поэтому их используют в светофорах.

Опыт с приведением

• Если смотреть на черное приведение, часть сетчатки, на которой формируется изображение, не получает ни одного светового луча. Однако окружающая часть сетчатки работает на полную мощность, посылая в мозг сигналы о ярком белом фоне вокруг приведения. Если взгляд устремлен на арку, то область сетчатки, где сформировалось изображение фона, уже устала и не полностью реагирует на светлый фон под аркой, делая его темнее. Та область сетчатки, которая сформировала изображение приведения, практически не работала и не устала, так что при переводе взгляда под арку на этом месте образуется белая область по форме приведения. Поэтому вы видите белое изображение приведения под аркой.

ПРИМЕРЫ КЛАССИЧЕСКИХ И СОВРЕМЕННЫХ ИЛЛЮЗИЙ

• В данном разделе опишу примеры классических и современных оптических иллюзий
• 1. Иллюзия восприятия относительных размеров
• В XIX-м веке началось активное изучение свойств восприятия и особенностей органов чувств человека. Именно тогда исследователями были разработаны оптические иллюзии, которые сейчас считаются классическими, в первую очередь — иллюзия Эббингауза.

Иллюзия Эббингауза

• Размеры оранжевых кругов одинаковы, так как видели такие иллюзии тысячу раз, но глаза по-прежнему вам врут — на доли секунды возникает ощущение, они всё-таки разные. Мозг человека определяет размеры предметов и изображений, исходя из величины смежных объектов и неизбежно попадает в ловушку, — на фоне крупных чёрных кругов оранжевый кажется меньшим, чем рядом с маленькими кружками.

2. Иллюзия восприятия глубины.

• Итальянский психолог Марио Понцо в начале XX-го века одним из первых среди учёных продемонстрировал миру, что на восприятие размеров предметов влияют не только смежные объекты, но и глубина фона. Итальянец разработал классическую иллюзию, которая сейчас носит его имя.

Иллюзия Понцо

• Итальянский психолог Марио Понцо в начале XX-го века одним из первых среди учёных продемонстрировал миру, что на восприятие размеров предметов влияют не только смежные объекты, но и глубина фона. Итальянец разработал классическую иллюзию, которая сейчас носит его имя.
• Иллюзия Понцо выглядит очень просто — между двумя наклонными линиями расположены две одинаковые горизонтальные, при этом одна из них воспринимается, как более длинная. Наклонные линии создают перспективу, мозг полагает, что верхняя горизонтальная линия расположена «дальше», чем нижняя и делает поправку на «расстояние» — за счёт этого и возникает любопытный эффект.

«Волшебные» линии Мюллера-Лайера.

• Другая хрестоматийная оптическая иллюзия, которой более ста лет — иллюзия Мюллера-Лайера. Её суть также достаточно проста — на рисунке изображены линии со стрелками на концах, большей кажется та, что обрамлена «хвостами» стрел.
• Учёные до сих пор спорят о механизме возникновения иллюзии, в настоящее время наиболее популярна следующая трактовка. Три сходящиеся линии мозг интерпретирует в качестве части трёхмерного объекта, при этом линии, образующие «остриё» воспринимаются как более близкий объект (скажем, угол здания при взгляде снаружи). «Хвостовые» стрелки в свою очередь, создают иллюзию удалённого объекта («угол комнаты»). Как и в случае с иллюзией Понцо, мозг «компенсирует расстояние» до объекта, в результате чего линии видятся разными.

Загадка Гельмгольца.

• Сюрпризы мозгу преподносят не только сходящиеся линии, но и параллельные вертикальные или горизонтальные. В конце XIX-го века немецкий физик и физиолог Герман фон Гельмгольц показал, что расчерченный горизонтальными линиями квадрат выглядит шире и ниже, чем точно такой же, но составленный из вертикальных линий.

Иллюзия Гельмгольца

• Открытый Гельмгольцем феномен широко используется в производстве одежды, однако вопреки распространённому заблуждению, горизонтальные полоски на свитерах и платьях не «полнят», а строго наоборот — зрительно делают фигуру уже и выше. В модных глянцевых журнала часто встречаются советы вроде: «Носите одежду с вертикальными полосками, чтобы выглядеть стройнее», однако наука безжалостно это опровергает. Взгляните на иллюзию Гельмгольца и сами убедитесь в том, что эффект прямо противоположен.
• В начале XXI-го века интерес к зрительным искажениям продолжает расти — появляются новые научные теории, с помощью которых учёные пытаются объяснить механизмы возникновения оптических иллюзий.
• Согласно одной из них, искажения происходят из-за того, что человеческий мозг постоянно «предсказывает» изображение, чтобы компенсировать задержку между самим событием и моментом его восприятия. Для примера — пока вы читаете эту статью, ваш мозг обрабатывает световые сигналы, поступающие от компьютерного монитора или экрана гаджета. На это требуется определённое время, поэтому вы в некотором роде видите не настоящее, а прошлое.

• Нейробиолог Марк Чангизи полагает, что именно попытками мозга «предвидеть» картинку объясняются некоторые зрительные искажения.
• Эксперименты Чангизи и его коллег из Калифорнийского технологического института показывают, что этой теории не противоречит ни одна из классических оптических иллюзий. В числе наиболее показательных примеров «предсказания» изображения мозгом Чангизи называет знаменитую иллюзию Геринга. Когда человек движется вперёд, видимые им объекты движутся по радиальным линиям, поэтому мозг склонен воспринимать подобные изображения как признак перемещения в пространстве. «Эти механизмы отлично работают в реальной жизни, но они же заставляют мозг ошибаться, когда человек видит радиальные линии и при этом остаётся на месте» — отмечает исследователь.

Куб Неккера и другие «капризы» мозга.

• Изобретение магнитно-резонансной томографии стало настоящим подарком для исследователей оптических иллюзий — наука наконец-то смогла хотя бы в общих чертах понять, что происходит в мозге человека при их восприятии. Так, изучая мозговую деятельность человека, глядящего на куб Неккера, учёные сделали вывод, что мозг неоднозначно воспринимает глубину изображения. Нейроны будто «спорят» между собой, какую картинку следует считать «истинной», в результате наблюдатель видит куб то в одном положении, то в другом.  

• Схожим образом дело обстоит и с другой известной оптической иллюзией — так называемой сеткой Германа. Ложные темные области появляются на пересечениях белых линий. Эта иллюзия была открыта в 1870 г. Людимаром Германом.
• Если взглянуть на изображение боковым зрением, то будут видны серые точки на пересечении белых линий, но стоит сфокусировать взгляд на одной «серой точке», как она тут же «исчезает». Согласно одному из наиболее популярных среди учёных объяснений этого явления, среди нейронов идёт непрерывная «борьба» за обработку тёмных и светлых участков изображения, что и заставляет человека «замечать» мерцающие точки.

• Новейшие представления об иллюзиях
• Благодаря современным методам исследований человечество знает, что за восприятие оттенков цвета, форм предметов и их перемещения в пространстве отвечают разные участки мозга, но каким образом мы получаем целостное изображение, во многом остаётся загадкой. Энтузиасты разрабатывают всё новые и новые способы обмануть зрение, переосмысливая и дополняя классические иллюзии. Глядя на них, мы прилежно «позволяем» собственному мозгу ввести нас в заблуждение, а в итоге появляется больше вопросов, чем ответов.

• В наше время интерес к проблеме столь высок, что на протяжении вот уже десяти лет специалисты ежегодно проводят конкурс на лучшую оптическую иллюзию. Скажем, в 2014-м году эту награду получила динамичная иллюзия Эббингауза, которая гораздо убедительнее обманывает зрение, чем классический статичный вариант. По словам невролога Сюзанны Мартинес-Конде, входящей в состав жюри конкурса, за счёт постоянного изменения размеров смежных объектов эффект новой иллюзии в несколько раз сильнее, чем у неподвижного изображения, предложенного Германом Эббингаузом.
• Мартинес-Конде признаёт, что большая часть современных исследований оптических иллюзий основывается на работе, проделанной учёными XIX-го века. Скажем, Герман Гельмгольц первым понял, что человеческие глаза постоянно совершают быстрые согласованные движения, так называемые саккады. Чтобы понять о чём речь, закройте один глаз и слегка надавите пальцем на нижнее веко другого — «картинка», которую видит ваш мозг тут же придёт в движение. В обычной жизни мы не замечаем этих микроскопических «подёргиваний», потому что мозг давным-давно научился сглаживать изображение, но когда он сталкивается с непривычной ситуацией (механическое воздействие на глазное яблоко), саккады проявляют себя во всей красе.

• По мнению Сюзанны, именно саккады играют ключевую роль в знаменитой иллюзии «Вращающиеся змеи», которую разработал японский психиатр Акиоши Китаока. В ходе экспериментов со «Змеями» Мартинес-Конде и её коллеги выяснили, что при взгляде на иллюзию активизируются те же нейроны, что и при взгляде из окна быстро движущегося поезда, когда кажется, что пейзаж «едет мимо», а не наоборот. При этом, если с помощью некоторых ухищрений заставить наблюдателя прекратить саккады, иллюзия исчезает.

• Особым способом размещённые кофейные зёрна (рисунок 15), также вызывают оптический обман, человеку кажется, что они шевелятся, совершают хаотичные волнообразные движения, напоминающий поднимание и опускание человеком грудной клетки при вдохе и выдохе (естественно, это зрительная иллюзия, в действительности кофейные зёрна неподвижны). Невролог объясняет это следующим образом: видимость движения во «Вращающихся змеях» создаётся за счёт большого количества оптической информации, поступающей в разные участки сетчатки глаз. Определённое сочетание световых сигналов обманывает мозг, заставляя его воспринимать статическое изображение, как динамичное. Саккады постоянно обновляют «картинку», не давая мозгу адаптироваться к ней, если же они приостанавливаются, через некоторое время уходит и иллюзия движения.
• Как и многие другие специалисты по оптическим иллюзиям, Сюзанна Мартинес-Конде уверена, что далеко не все механизмы зрительного восприятия открыты, а те, что уже известны, пока не слишком хорошо изучены. Это значит только одно — не стоит слепо верить своим глазам, они вас ещё не раз обманут.

• Относится к искусственно созданным иллюзорным обманам и трёхмерная графика, или создание 3d-рисунков, объёмных рисунков, всё более набирающим популярность во всём мире. Суть таких рисунков или стереографии основана на том, что, изображения, созданные при помощи 3d-технологии, приобретают эффект объёмности
• Главное отличие трёхмерных картинок от двумерного изображения заключается в передаче геометрической проекции трёхмерного предмета на плоскость с использованием специальных программ. Моделью для создания 3d-рисунка может служить абсолютно любой предмет, реальные объекты или природные явления.
• Иллюзия объёмности, созданная с помощью трёхмерной графики, широко используется в архитектуре и строительстве - "живые" стены, полы, "движущиеся" фасады существенно разнообразят квартиры и экстерьеры зданий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Оптические обманы - не случайные спутники нашего зрения: они сопровождают его при строго определенных условиях, с неизменным постоянством закономерного явления и имеют силу для каждого нормального человеческого глаза.
• То, что человеку свойственно при известных обстоятельствах поддаваться иллюзиям зрения, обманываться относительно источника своих зрительных впечатлений, не следует вовсе рассматривать как всегда нежелательный недостаток.
• Что касается причин, обусловливающих ту или иную иллюзию зрения, то только для весьма немногих оптических обманов существует твердо установленное, бесспорное объяснение; к ним принадлежат те, которые обусловлены строением глаза: иррадиация, иллюзия Мариотта (слепое пятно), иллюзии, продолжаемые астигматизмом, и т. п.

• Недостоверный, характер носит большинство объяснений отдельным иллюзиям зрения. 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. Таким примером является обсуждаемая уже со времени Птолемея иллюзия 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Акбаев. А. В. Физика и живая природа. Ижевск: Удмуртский университет 2005. – 351 с.
• Булат В. Л. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 2010 г. – 408 с.
• Вадимов А. А., Тривас А. В. Иллюзии зрения. - М.: Наука, 2012. – 271 с.
• Гресс, Дж. Опыты со зрением / Дж. Гресс. - М.: Мир, 2012. - 189 с.
• Луизов. А. В. Цвет и свет. – М.: Просвещение, 2010 – 183 с.
• Перельман. Я. И. Занимательная физика. Т.1 - М.: Наука, 1989. – 642 с.
• Коханов К. Ю. Оптические иллюзии в школьном курсе физики// /Физика. – 2002. - №11. - стр. 9-12.
• Тарасов К. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. - М.: Наука, 2011. – 274 с.
• Тимоти Анрах. Удивительные фигуры . Оптические иллюзии, поражающие воображение. - М. : Астрель., 2012. - 125 с.
• Юфанова И. Л. Занимательные вечера по физике - М.: Просвещение, 2006. – 347 с.