Оптичните илюзии и тяхната роля в човешкия живот

Секции: Физика

Цели: формиране на понятието „илюзия“, систематизиране на илюзии, изясняване на причините за появата им, наблюдение на илюзиите.

Оборудване: рисунки са поставени на масите на учениците (вижте приложения 1, 2, 3, 5). На бюрото на учителя има затворена черна кутия, съдържаща плосък предмет в реални размери; два осветителя за сенки със светлинни филтри (червен, зелен); линийка, фиксирана вертикално.

При подготовката за урока учениците получават задача да подготвят илюстрация на своята илюзия и нейното обяснение.

Оптичните илюзии не са случайни спътници на нашето зрение: те го съпътстват при строго определени условия, с неизменното постоянство на закономерно явление и са валидни за всяко нормално човешко око. Фактът, че при определени обстоятелства е естествено човек да се поддава на илюзиите на зрението, да се заблуждава относно източника на своите зрителни впечатления, изобщо не трябва да се счита, както винаги, за нежелан недостатък, за абсолютен дефект в нашата организация, чието отстраняване би било от полза за нас във всички отношения.

Що се отнася до причините за тази или онази илюзия на зрението, само за много малко оптични илюзии има твърдо установено, неоспоримо обяснение; те включват тези, които се дължат на структурата на окото: облъчване, илюзия на Мариот (сляпо петно), илюзии, продължени от астигматизъм и др.

Повечето опити да се намери обяснение за отделните зрителни илюзии са от ненадежден, незадължителен характер. За някои оптични илюзии все още не е предложено обяснение. За други, напротив, има твърде много обяснения, всяко от които може би би било достатъчно, ако не бешеимаше редица други, които отслабваха неговата убедителност. Нека си припомним известната илюзия за увеличаване на светилата близо до хоризонта, обсъждана от времето на Птолемей: изглежда, че за нея са предложени най-малко шест успешни теории, всяка от които страда само от недостатъка, че има още пет също толкова добри обяснения. Очевидно почти цялата област на оптичните илюзии все още е на преднаучен етап от своето развитие и трябва да установи основните методологични принципи на своето изследване.

Концепцията за оптична илюзия

Оптичната илюзия е представяне на видимо явление или обект, което не отговаря на реалността поради структурните особености на нашия зрителен апарат. Просто казано, това е погрешно представяне на реалността. (Важно е да се отбележи, че това не се отнася за несъответствия, които са свързани с индивидуални зрителни увреждания, като цветна слепота.)

Защо възникват оптичните илюзии? Човешкият зрителен апарат е сложна система с точно определени граници на функционалност. Той включва: очите, нервните клетки, чрез които се предава сигналът от окото към мозъка, и частта от мозъка, отговорна за зрителното възприятие. В това отношение има три основни причини за илюзията:

1) нашите очи възприемат светлината, идваща от обекта, по такъв начин, че грешна информация идва в мозъка;

2) когато предаването на информационни сигнали през нервите е нарушено, възникват неуспехи, което отново води до погрешно възприятие;

3) мозъкът не винаги реагира правилно на сигнали, идващи от очите.

Често оптичните илюзии възникват по две причини едновременно: те са резултат от специфична работа на окото и погрешно преобразуване на сигнала от мозъка.

По произход оптичните илюзии се делят на три вида:

естествено или създадено от природата (например мираж);
изкуствени или измислени от човека (например трика „левитация“ или както се казва в народа „летяща дама“);
смесени, тоест естествени илюзии, пресъздадени от човек (например добре познати илюзионни картини, модел на мираж). [5]

Между естествените и изкуствените илюзии има значителна разлика. Ако една илюзия е измислена от човек, тогава тя задължително има градивна тайна и след като я съобщи на наблюдателя, тя до голяма степен губи своята мистерия. Естествените и смесените илюзии не променят силата на своето въздействие, независимо дали наблюдателят знае тяхната тайна или не.

Трябва да се отбележи, че оптичните илюзии не се раждат непременно в резултат на играта на светлина и сянка. И така, в основата на вече споменатата илюзия „летяща дама“ е гениален механичен дизайн. [6]

Демонстрация и обяснение на основни илюзии.

Помислете за една от най-често срещаните илюзии (Приложение 1). Погледнати отдалеч, белите фигури отдолу - кръгът и квадратът - изглеждат по-големи от черните, въпреки че и двете са еднакви. Колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-силна е илюзията. Това явление се нарича облъчване.

Облъчването се дължи на факта, че всяка ярка точка на обект дава върху ретината на окото ни не точка, а малък кръг (поради така наречената сферична аберация); следователно светлинната повърхност е оградена от ретината със светлинна ивица, което увеличава пространството, което заема. Черните повърхности дават намалени изображения поради светлата граница на околния фон. [4]

За да се потвърди наличието на облъчване при всички хора без изключение, беше проведен експеримент. Екип от работници беше назначен да носи кашони със същия размер и форма. половин кутиибеше боядисан в бяло, а другата половина в черно. Работниците в началото преместиха черните кутии. Те обясниха това с това, че черните кутии изглеждат по-малки от белите. [2]

За да се убедя още веднъж в естествения произход на явлението облъчване, проведох анкета сред гимназистите на нашето училище. Всички без изключение казаха, че черният квадрат (Приложение 1) е по-малък от белия.

Естествените илюзии се появяват поради особености в устройството на зрителния ни апарат. На повърхността на ретината, в основата на зрителния нерв, има област, лишена от светлочувствителни клетки. Лъчите, влизащи в тази зона, не се възприемат от нас. Можем да "загубим" елементи от картината около нас, ако те съвпадат със сляпото петно. [6]

За да потвърдим това явление, ще проведем серия от експерименти.

1. Разглеждайки кръста с лявото око (Приложение 2, фиг. 1) от дясната страна на фигурата, на известно разстояние изобщо няма да видим черен кръг, въпреки че ще различим и двата кръга. Кръгът съвпадаше със сляпото петно. [4]

2. След като затворите дясното си око, погледнете с лявото горния кръст (Приложение 2, фиг. 2), от разстояние 20 - 25 сантиметра. Ще забележите, че средният голям бял кръг изчезва напълно, въпреки че двата по-малки кръга отстрани са ясно видими. Ако, без да променяте позицията на картината, погледнете долния кръст, кръгът изчезва само частично. Това преживяване носи името на своя създател - Мариот. [3]

Изчезването на елементи в тези експерименти се дължи на факта, че при посоченото положение на окото спрямо фигурата, изображението на кръга попада върху т. нар. сляпо петно - входната точка на зрителния нерв, който е нечувствителен към светлинни стимули.

Погледнете надписа (Приложение 3, фиг. 1) с едно око. Всички букви изглеждат ли еднакво черни? Обикновено се изобразява една от буквитепо-черен от останалите. Но си струва да завъртите надписа с 45 или 90 °, така че друга буква да изглежда по-черна. [4]

Това явление се дължи на така наречения астигматизъм, тоест неравномерната изпъкналост на роговицата на окото в различни посоки (вертикална, хоризонтална). Редкото око е напълно свободно от това несъвършенство. Приблизително 10% от всички хора страдат от вроден астигматизъм.

Помислете за друга илюзия, свързана с астигматизма. Тази фигура (Приложение 3, Фиг. 2) дава друг начин за откриване на очен астигматизъм. Приближавайки го до изследваното око (затваряйки другото), на някакво доста близко разстояние, фокусирайки погледа си върху белия квадрат в горната част, ще забележите след около половин минута, че долната бяла лента ще изчезне (поради умора на ретината).

Нека направим следния експеримент. С помощта на два осветителя ще осветим някакво малко препятствие, например вертикално поставена линийка. Осветителите се поставят на известно разстояние един от друг (около 20 cm) и на бял екран се наблюдава сянка от препятствие и две полусянки (Приложение 4). В единия осветител поставяме червен светлинен филтър, а в другия - зелен. Penumbras съответно ще бъдат боядисани в същите цветове. След това ще извадим един от филтрите и полусянката с неговия цвят ще остане. [7]

Това е една от най-зрелищните природни илюзии. Естеството на появата на цветно изображение в първата и втората част на експеримента е различно. В първия случай цветната сянка е резултат от това, че източникът на светлина е "удължен" и бихроматичен; във втория случай появата на цветна полусянка е свързана с особеностите на нашето възприятие, тоест видимостта на цвета е илюзия. [5]

Все още не е намерено пълно обяснение на този феномен. Единственият известен факт е, че възприятиетозасяга не само цвета, но и фона, който заобикаля въпросната област.

Можете да използвате всякакви цветни филтри за тази демонстрация. Но най-добрият резултат се получава с червено и зелено. Тези два цвята предизвикват най-голямо раздразнение, очите ни са най-чувствителни към тях. Ето защо те се използват в светофарите. (По време на експеримента е нежелателно затъмняването на шкафа. Експериментът е ефективен при дневна светлина, дифузна светлина).

Опит с кастинг

Нека проведем още един експеримент (Приложение 5). Когато гледате черен призрак, частта от ретината, където се формира изображението, не получава нито един светлинен лъч. Обкръжаващата част на ретината обаче работи на пълен капацитет, изпращайки сигнали до мозъка за ярко белия фон около актьорския състав. Когато погледнете арката, областта на ретината, където се е образувало фоновото изображение, вече е уморена и не реагира напълно на светлия фон под арката, което го прави по-тъмен. Областта на ретината, която формира изображението на отливката, практически не работи и не се уморява, така че когато погледнете под арката, на това място се образува бяла зона във формата на отливка. Ето защо виждате бялото изображение на призрака под арката. [3, 5].

Нарушаване на цветовото възприятие

Всяко кръстовище има светофар. Вечер, поради намаляване на осветеността, основното натоварване се преразпределя от конуси (цвят) към пръчки (светлина), тъй като те са по-чувствителни. Пикът на авариите пада точно по времето, когато някои от чувствителните клетки не се включват, докато други вече не работят.

Нощните инциденти не са рядкост. Шофьор, който шофира по магистралата, внезапно виждайки светлините на светофара поради „предозиране“ на информация, може да го сбърка с обикновена лампа (той ще види светлините като бели). Та за светофаритеизберете специален режим на забавяне, така че очите да имат време да свикнат с цвета (Типичен светофар за гъста градска зона дава зелена светлина за 50 секунди, жълта за 5 секунди и червена за 25 секунди).

Ако дълго време гледате ярки източници на визуална информация, възниква и цветна илюзия. Ето защо в картините на повечето художници слънцето е бяло. Характеристиките на нашето зрение са следните (в ретината има три вида цветочувствителни клетки - колбички; максималната чувствителност на едни пада върху синьо, други - върху зелено, трети - върху червено; в зависимост от нивото на дразнене на всеки тип колбички, ние възприемаме един или друг цвят), че ако се премине прагът на насищане на всички цветни канали, тогава те сякаш спират да работят и за възприемане остава само бял цвят. При залязващото южно слънце интензитетът на дори разпръснатите компоненти е висок и е достатъчен, за да „преоцвети“ светилото в нашето възприятие в бяло.

Истински или не

Експериментът повтаря добре познатата циркова илюзия с порязване на човек. В този случай всеки предмет може да бъде на мястото на човек (Приложение 6).

Същността на експеримента е, че от разстояние 1 м е невъзможно да се различи заместването на реален обект по изображението му, ако е направено на матова хартия в пълен размер и поставено в малка черна кутия.

Замяната е възможна, тъй като черната кутия по време на наблюдение не позволява да се включи механизмът на бинокулярно стерео зрение и следователно триизмерното изображение не може да бъде разграничено от плоското му копие. [6]

Тази илюзия е най-зрелищната от изкуствените илюзии. В допълнение, неговата сложност ви позволява да го поставите в класната стая по физика. Направихме изображение на предмет - ръка, "търкаляйки" собствената си ръка на копирна машина.Най-естественият цвят на четката се получаваше, когато ръката се постави върху бяла кърпа.

90% от информацията влиза в нашия мозък през очите. Дори и човек да живее без розови очила, той не винаги ще може да оцени реалистично ситуацията, която е видял. Ето как работят нашите очи. Познавайки характеристиките на зрението, човек може да анализира полученото изображение, да разбере кога очите му го мамят и кога изображението е напълно реално.

Такова знание може да направи живота много по-лесен, като елиминира проблемите, свързани с визуални измами. Те ще помогнат за по-доброто разбиране на някои природни явления, устройствата на някои обекти (светофар).

Не забравяйте, че оптичните илюзии ни съпътстват през целия ни живот. Следователно познаването на техните основни видове, причини и възможни последствия е необходимо за всеки човек.