Оптические иллюзии

Оглавление

1. Введение 3

2. Основная часть 5

1. История изучения и применения оптических иллюзий 5

2. Виды оптических иллюзий 9

3. Экспериментальное исследование оптических иллюзий 15

4. Анкетирование учащихся 6 класса 17

1. Заключение 20

2. Список используемых источников 21

3. Приложения 22

I. Введение

  Более 90% информации человек воспринимает с помощью зрения. К сожалению, наш глаз не самый точный прибор в мире, поэтому ему свойственно ошибаться. Эти ошибки называют оптическими иллюзиями. Выражение «обман зрения» в жизни встречается очень часто. Попросту говоря – это неверное представление реальности. Оптических иллюзий известно очень большое количество, и все они разные, как и причины, их возникновения.

Часто то, что мы видим 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  присмотреться.

Но стоит ли доверять всему, что мы видим? Можно ли увидеть то, что никто не видел? Правда ли, что неподвижные предметы могут двигаться? Каково разнообразие оптических иллюзий? Мне очень хочется найти ответы на все поставленные вопросы, поэтому я решил провести исследование «Зрительные иллюзии».

Актуальность исследования: знание особенностей зрительного восприятия и возможностей современных технологий в искажении объективной реальности, в том числе посредством оптических иллюзий, необходимо современному человеку для здорового восприятия жизни.

Проблема исследования: объяснить возникновение оптических иллюзий с помощью физических законов и природных явлений.

Объект исследования: оптические иллюзии.

Предмет исследования: причины возникновения оптических  иллюзий.

Гипотеза исследования: в основе иллюзий лежат обычные природные явления.

Цель, которую я поставил перед собой: выяснить, что лежит в основе оптической иллюзии - чудеса или наука?

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Подобрать материал о видах оптических иллюзий, причинах их возникновения.

2. Изучить виды оптических иллюзий.

3. Провести исследование, в ходе которого можно будет определить процент объективности восприятия объекта учащимися моего класса.

4. Провести эксперименты, подтверждающие возникновение оптических

иллюзий при определенных условиях.

Методы исследования:

– изучение научной и научно-популярной литературы, источников в сети Интернет, посвященных оптическим иллюзиям;

– анализ собственных зрительных впечатлений от просмотра оптических

иллюзий (в том числе 3D-кино);

– анкетирование учащихся 6-х классов МБОУ СОШ п. свх. Агроном;

– эксперименты по воссозданию условий возникновения оптических

иллюзий.

II. Основная часть

1. Истории изучения и применения оптических иллюзий

Изучив научно-техническую литературу, я выяснил, что оптическая иллюзия — это эффект, при котором визуальная информация является обманчивой или неверно воспринимается. Впервые с оптическими иллюзиями я познакомился года три назад во время летней поездки к бабушке. В жаркий солнечный день мы с родителями ехали на машине по асфальтовой дороге, на которой вдалеке явственно виднелись лужи (рис. 1).

Рис.1

Однако когда машина приближалась к лужам, они исчезали. Тогда родители объяснили мне, что причина обмана зрения – в горячем воздухе, который нагревается от раскаленного асфальта и особым образом преломляет солнечный свет.

Несмотря на то, что история научного изучения оптических иллюзий насчитывает около 150 лет, знакомы с этим явлением люди были еще в глубокой древности.

Великий греческий философ Аристотель в 350 году до нашей эры писал: «Нашим чувствам можно доверять, но их все же легко обмануть». Например, он заметил, что если долгое время смотреть на водопад, а затем перевести взгляд на неподвижный горный склон, может показаться, будто скалы движутся в направлении, противоположном потоку. Современные исследователи называют этот оптическое явление эффектом последействия движения или иллюзией водопада.

Известная со времен древнеримского астронома Птолемея иллюзия восприятия небесных светил в увеличенном объеме в момент их нахождения около линии горизонта и сейчас вызывает общий интерес (рис.2).

Рис.2. «Иллюзия Луны»

Уже в древности путешественники и мореплаватели сталкивались с миражами в пустынях и на просторах морей. Тогда они пугались оптических иллюзий, так как думали, что это результат действия злых духов. Миражи отражали не только красивые замки или острова, как рассказывают об этом древние легенды, но и обычные лодки, корабли, здания (рис.3).

Многие путники, введенные в заблуждение эфемерными видениями оазисов в пустыне, погибали от жажды. Даже сейчас, в XXI веке для путешественников составляют специальные карты с отметкой мест, где обычно наблюдаются миражи. На этих путеводителях указано, где могут привидеться колодцы, а где – пальмовые рощи и даже горные цепи.

Жертвами миражей нередко становятся караваны в пустыне Эрг-эр-Рави на Севере Африки. Перед людьми «воочию» на расстоянии 2–3 километров предстают оазисы, до которых в действительности не менее 700 километров.

Среди мореплавателей сотни лет назад ходили легенды о кораблях-призраках, «летучих голландцах» – иллюзиях, которые получили также

название «фата-моргана» (по имени мифической феи Морганы, живущей на дне моря и обманывающей моряков).

Рис.3. Мираж

Важно отметить, что, сталкиваясь с разными природными иллюзиями, люди научились использовать в своих целях определенные оптические закономерности. Еще в Древней Греции эти закономерности целенаправленно применялись в архитектуре для создания желаемых пространственных впечатлений, например, для кажущегося увеличения высоты и площади залов. Архитекторы иногда намеренно нарушали геометрию строения: изменяли пропорции, отклоняли элементы от вертикали или горизонтали, искривляли их контуры и т.п. С помощью таких приемов им удавалось «перехитрить» зрение.

Например, древними зодчими было подмечено, что светлые предметы на темном фоне по размеру кажутся больше, чем они есть на самом деле, а темные на светлом, наоборот, меньше. Римский архитектор и инженер Марк Витрувий, живший в I веке до нашей эры, свидетельствовал о своих впечатлениях: при сочетании темного и светлого свет «пожирает» мрак. Действительно, в белой одежде человек выглядит полнее, нежели в черной, а ветви деревьев в лучах солнца заметно «истончаются».

Взяв в расчет эту закономерность, архитекторы Древней Греции пошли на хитрость – они стали делать колонны своих построек разной толщины. Примером служит знаменитый Парфенон – главный храм афинского Акрополя, построенный в 447–438 годах до н.э. Его создатели, архитекторы Иктин и Калликрат, учли, что для угловых колонн фоном будет яркое небо Эллады, а для остальных – темный фон, создаваемый святилищем храма. Поэтому они сделали угловые колонны более широкими и уменьшили расстояние между ними и соседними колоннами. Благодаря этим «поправкам» издали все колонны выглядели совершенно одинаково, а разница между ними обнаруживалась только при непосредственном измерении (рис.4).

Рис.4. Парфенон

В архитектуре Парфенона таятся и другие оптические иллюзии: когда глаз «скользит» по колоннаде, заполненное ею пространство зрительно удлиняется, отчего здание кажется более протяженным, более величественным. По той же причине постройки, украшенные орнаментами и скульптурами, кажутся нам больше, чем не имеющие украшений.

Оптические закономерности восприятия пространства были знакомы и древнерусским зодчим. Один из примеров – Троицкий собор в Троице-Сергиевой лавре, сооруженный в 1422 году над гробом преподобного Сергия Радонежского. Его наружные стены имеют заметный наклон к центру здания, благодаря чему усиливается впечатление устойчивости всего строения. Барабан со щелевидными окнами, на котором возвышается купол храма, сужается кверху. Этот прием зрительно вытягивает храм, он выглядит выше, чем есть на самом деле (рис.5).

Рис.5. Троицкий собор

2. Виды оптических иллюзий

Все оптические иллюзии можно разделить на четыре вида:

1. Естественные, вызванные преломлениями света в окружающей среде.

2. Естественные, связанные с особенностями механизма зрительного восприятия.

3. Искусственные, использующие возможности преобразования окружающего пространства.

4. Искусственные, использующие особенности зрительного восприятия.

Разберем некоторые примеры из научно-популярной литературы и из сети Интернет.

1) Естественные иллюзии, вызванные изменениями в окружающей среде.

К этой категории относятся миражи в пустыне или миражи над водной поверхностью, известные как фата-моргана.

Мираж – это игра световых лучей. Слово «мираж» происходит от французского слова и обозначает «отражать, как в зеркале», причем в роли «зеркала» выступает воздух. Оказывается, воздух состоит из нескольких слоев, которые имеют разную температуру и плотность. Когда лучи переходят из одного слоя в другой, они начинают преломляться, а если разница температуры слоев большая, то лучи вообще начинают отражаться, п
ри этом, создавая иллюзии, которые называют миражами (рис.6).

Рис.6. Миражи над водной поверхностью

Фата-Моргана – миражи, которые видят моряки над водной поверхностью – выполняет сложные трюки: образ этого миража сложный, меняющийся. Оно может переворачиваться, сжиматься, растягиваться. Это красивое оптическое явление появляется вследствие того, что лучи солнца, проходящие через нагретые воздушные слои, преломляются.

Другая разновидность естественных иллюзий, вызванных изменениями во внешней среде, – гало. Если Солнце находится на малой высоте над горизонтом, а в атмосфере присутствуют микроскопические кристаллы льда, наблюдатели могут заметить несколько светлых радужных пятнышек справа и слева от Солнца. Эти причудливые солнечные гало следуют за светилом по небосводу, в какую бы сторону оно не направлялось.

Днем гало появляется вокруг Солнца, а ночью – вокруг Луны или других источников света, например, уличных фонарей. Существует множество разновидностей гало. Практически все гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы. Вид гало определяется формой и расположением этих маленьких кристалликов.

2) Естественные иллюзии, вызванные особенностями зрительного восприятия.

К этому типу иллюзий можно отнести слепое пятно, явления иррадиации, инерции зрительного восприятия и ряд других.

Наличие слепого пятна, то есть участка на сетчатке каждого глаза, не воспринимающего свет, связано с тем, что в том месте, где в глаз входит зрительный нерв, нет светочувствительных окончаний нервных волокон. Изображения предметов, приходящиеся на это место сетчатки, не передаются мозгу. Казалось бы, слепое пятно должно мешать нам видеть весь предмет, но в обычных условиях мы этого не замечаем. Прежде всего, потому, что изображения предметов, приходящиеся на слепое пятно в одном глазу, в другом проектируются не на слепое пятно. Во-вторых, потому, что выпадающие части предметов заполняются образами соседних частей, находящихся в поле зрения.

Явление иррадиации часто встречается в жизни. Светлые предметы на темном фоне кажутся нам больше, чем темные на светлом. В темной одежде люди выглядят тоньше, чем в светлой. Смотря на солнце через крону березы, листья кажутся нам меньше, чем они есть на самом деле.

Рис. 7. Явление иррадиации

Глядя на молодой серп луны, может показаться, что его радиус больше радиуса самой луны.

Инерция зрения. Суть этой оптической иллюзии заключается в том, что сетчатка глаза (глазное дно) под действием световых лучей на некоторое время сохраняет полученное изображение. Эффект тем сильнее, чем выше цветовая контрастность и яркость наблюдаемого рисунка. Именно поэтому мы и получаем возможность в темноте «рисовать» палочкой с горящим угольком разные узоры. Инерцией зрения можно объяснить и то, что зрение как бы «уравновешивает» одно яркое впечатление противоположным. Например, если долго и неотрывно смотреть на негативное изображение, то потом, закрыв глаза, можно увидеть это же остаточное, тающее изображение, но в позитиве. Черные цвета меняются на белые, красные – на зеленые, голубые – на желтые и наоборот.

Относительность восприятия размеров природных объектов. Когда полная Луна склоняется низко над горизонтом, она визуально имеет намного больший размер, чем когда находится высоко в небе. Это явление волновало многих ученых, пытавшихся найти ему разумное объяснение. Сегодня принято считать, что это – обычная оптическая иллюзия. Известно, что визуальное восприятие размеров видимого человеком объекта определяется габаритами других предметов, наблюдаемых по соседству. Когда Луна находится низко над горизонтом, в поле зрения человека попадают дома, деревья и другие более мелкие и, как правило, более темные объекты. На их фоне ночное светило кажется большим, чем оно есть в действительности.

Известной иллюзией восприятия размера является иллюзия Мюллера-Лайера. Посмотрев на рисунок, многие скажут, что отрезок со стрелками наружу длиннее отрезка со стрелками, направленными внутрь. На самом деле отрезки равны.

Рис.8. Иллюзия Мюллера-Лайера

Иллюзии искажения формы. Параллельные линии будут восприниматься как непараллельные, если их рассматривать на фоне взаимно пересекающихся косых линий. Круг теряет свою правильную форму, если его рассматривать на фоне кривых линий. Этот вид иллюзий находит свое объяснение в том, что резко выраженные особенности фона влияют на восприятие расположенных на этом фоне предметов.

3) Искусственные иллюзии, связанные с намеренным изменением (искажением) окружающего пространства.

Этот тип иллюзий включает большое количество находок человека по обману зрительного восприятия за счет изменения окружающего пространства. Этим методом активно пользуются фокусники-иллюзионисты. Иллюзии в цирке создаются за счет использования специальных приспособлений – двойное дно, специальные пружины, скрытые перегородки, определенная установка зеркал. Хитроумные аппараты осуществляют всевозможные «загадочные» исчезновения и появления вещей и людей, служат для парения предметов и людей в воздухе, распиливания их или сжигания.

Но не только иллюзионисты намеренно искажают наше зрительное восприятие окружающего мира. Как мы видели, активно этим пользуются архитекторы (еще со времен Древней Греции), а также художники, дизайнеры.

Не менее яркое впечатление производят сегодня на жителей городов обманные граффити в стиле стрит-арт: рисунки на стенах домов или на асфальте. Под определенным углом просмотра они смотрятся очень эффектно! (рис.9)

Рис.9

«Невозможные фигуры». Интересные оптические иллюзии, вызванные попыткой нашего сознания представить видимое изображение в реальности, относятся к классу так называемых «невозможных» фигур. Такие фигуры

представляют собой двухмерное изображение трехмерных, объемных

объектов. Но при внимательном их рассмотрении становится ясно, что такие фигуры нарушают привычные закономерности.

Рис.10. «Невозможные картинки»

4) Искусственные, нацеленные на изменение (обман) работы зрительного восприятия.

Примером иллюзий такого типа может служить оптическая иллюзия «Вращающиеся змеи», которую разработал японский ученый-врач Акиоши Китаока. Ощущение движения неподвижной картинки возникает, когда глаз цепляется за мелкие детали, как бы «ощупывает» изображение. Если взгляд остановить, иллюзия движения пропадает (рис.11).

Р
ис.11

Одно и то же вращающееся изображение может вращаться в разные стороны. Большинство иллюзий движения неподвижных картинок построены на регулярном повторе разных по яркости или цвету фрагментов. Стереоскопические картинки не только интересны и необычны. На первый взгляд они представляют собой неразборчивые узоры, но если посмотреть на картинку правильно, можно увидеть то, что на самом деле изображено на ней. Для этого следует попытаться перефокусировать взгляд на условную точку позади картинки, одновременно совместив схожие узоры, находящиеся поблизости. Тогда стереокартинка начнет раздвигаться вглубь и вширь, открывая глазу невидимое ранее объемное пространство с объемными фигурами.

Также к категории искусственных иллюзий, задействующих сложные механизмы зрительного восприятия, относится популярное сейчас 3D-кино, которое смотрят в специальных 3D-очках.

3. Экспериментальное исследование оптических иллюзий

Для проверки гипотезы и воссоздания условий, при которых возникают оптические иллюзии, было проведено несколько практических экспериментов.

1) Эксперименты на преломление света в разных средах.

1. Было проведено наблюдение за цветным изображением, расположенным позади кастрюли с кипящей водой, и установлено, что поднимающийся пар искажает (преломляет) световые лучи, идущие от изображения к глазу.

2. Было проверено, что изображение позади банки с налитой в нее водой (например, стрелочки) меняется на зеркальное. Слои воды и стекла преломляют световые лучи.

3. С помощью карандаша и стакана воды, я провел простой опыт, демонстрирующий преломление света. Я опустил карандаш в стакан с водой и рассмотрел его с разных углов. При контакте с водой свет преломляется, искажая вид карандаша. Объяснение найдено в научно-популярной

Рис.12

литературе: коэффициенты преломления света у стекла и воздуха разные, поэтому изображение «ломается».

2) Эксперимент, выявляющий механизм инерции зрительного восприятия.

1. Просмотр нескольких видеороликов, на которых негативное цветное изображение сменялось черно-белым, показал, что такое изображение визуально воспринимается как цветное – сетчатка «раскрашивает» его противоположными цветами: – черный заменяется белым, зеленый – красным; желтый – голубым, и наоборот.

В научно-популярной литературе было найдено объяснение этому явлению. Колбочки (клетки-рецепторы) на глазном дне воспринимают три цвета: красный, зеленый и голубой. Если долго и пристально смотреть на зеленый цвет, рецепторы, отвечающие за него, перегружаются, и вместо них активно начинают работать красный и голубой рецепторы.

3) Эксперимент, выявляющий стробоскопический эффект.

Раскрутив спиннер на столе вблизи настольной лампы, я заметил, что во время его вращения образ спиннера, похожий на мираж, замедляясь, а потом снова разгоняясь, совершает плавные вращательные движения то в одну, то в другую сторону. Спиннер я раскручивал по часовой стрелке, а образ его попеременно вращался то по часовой, то против часовой стрелки. Загадка вращающегося миража спиннера, связана с тем, что называют стробоскопическим эффектом. И причина возникновения этой иллюзии, как было установлено, вызвана быстрым, незаметным глазу мерцанием искусственных источников освещения. Это мерцание «покадрово» высвечивало разные положения лепестков спиннера, так что глазу казалось, что он кружится то в одном, то в другом направлении. Дневной свет не мерцает, поэтому в естественных условиях этой иллюзии не наблюдалось.

Глазу кажется, что спиннер вращается в противоположном направлении, когда в каждой последующей высвеченной мерцающей лампой позиции лепесток спиннера «не успевает» достичь той точки, в какой он находился в момент предыдущей вспышки.

Стробоскопический эффект объясняет иногда наблюдаемое в кинематографе явление, когда, например, колеса начинают вращаться в обратном движению транспортного средства направлении. Кадры кинопленки поочередно «схватывают» такие позиции вращающегося колеса, которые создают иллюзию обратного вращения.

4. Анкетирование учащихся 6 класса

В анкетировании принимали участие 15 человек. Проведенный опрос показал, что 90% учащихся знакомы с оптическими иллюзиями (рис.13).

Рис.13

Почти все они смотрели стереоскопическое кино хотя бы раз (98%) (рис.14).

Рис.14

В то же время ребята легко поддаются на зрительные обманы. При ответе на ключевые 4-5 вопросы анкеты только 41% опрошенных ответили правильно.

Р ис.15

Рис.16

Рис.17

III. Заключение

В ходе исследования я пришел к выводу: нужно учиться контролировать собственные впечатления, проверять себя и не доверять всему подряд на глаз. Следует подключать логику и производить необходимые измерения. В основе оптических иллюзий лежат физические законы и закономерности, а также природные явления. В процессе проведения исследования и практических экспериментов было найдено подтверждение тому, что возникновение оптических иллюзий связано с нарушениями привычных, устойчивых механизмов зрительного восприятия окружающего пространства, а также по причине изменений (нарушений) в работе механизмов зрительного восприятия. Более того, изучение научно-популярной литературы показало, что большую роль в возникновении оптических иллюзий играет работа не только зрительного аппарата (глаза, сетчатки), но и работа мозга, в том числе, воображения.

IV. Список использованных источников

1. Артамонов И.Д. Иллюзии зрения. – М., 1969.

1. Большая электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия.

2. Дёмин П. Физические эксперименты и психологические иллюзии. – М., 2006.

3. Луизов А.В. Цвет и свет. – М., 1989.

4. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М., 2010.

5. Пирожников Л.Б. Что такое голография? М., – 1982.

6. Рутерсвард О. Невозможные фигуры. – М., 1990.

7. http:/noviten.Com N. // Зрительные иллюзии и феномены.

8. http:/basik.ru. // Зрительные иллюзии и феномены

9. http://illuzi.ru/node/633#ill_info // сайт, посвященный оптическим иллюзиям

Приложение 1

Анкета к исследовательской работе «Оптические иллюзии»

1. Знаете ли вы, что такое оптические иллюзии?

1. Да

2. Нет

3. Слышал о них

2. Смотрели ли вы хоть раз стереоскопическое кино в 3D – очках?

1. Да

2. Нет

3
. Посмотрите внимательно на картинку. Кошка на ней поднимается по лестнице или спускается?

1. поднимается

2. спускается

4. Какой из кругов, расположенных в центре больше?

1. первый

2. второй

3. они одинаковые

5. Какой отрезок длиннее?

1. первый

2. второй

3. они одинаковые

6. Параллельны ли красные линии?

1. Да

2. Нет

П
риложение 2

Рис.1. Гало

Р
ис.2. Слепое пятно

Рис.3. Иллюзии искажения формы

Р ис.4. Искусственные иллюзии

Рис.5. Стрит-арт

Рис.6. Стрит-арт

Рис.7. Стереоскопические картинки