XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

В стране оптических иллюзий

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кузина З.А. 1

---

1МАОУ СШ № 10 г. Павлово

Парамоненко И.В. 1

---

1МАОУ СШ № 10 г. Павлово

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

«Видимое не всегда соответствует действительному»
Н. Коперник

Очень 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 неожиданные открытия, нужно только присмотреться.

В современном мире нам проще воспринимать и запоминать то, что мы видим своими глазами, поэтому все необычные картинки всегда привлекают внимание. Сейчас очень популярны разнообразные головоломки на внимательность и находчивость, как-то раз мы наткнулись в социальной сети на такое задание: на картинке было изображено животное, был задан вопрос: «какое животное вы видите на картинке? Сколько животных изображено?». Быстрым взглядом мы определили, что на картинке, изображен заяц, но пристально всмотревшись я увидела утку. Нас заинтересовало и озадачило такое задание, появились вопросы о том, как это работает? Что это такое? Есть ли еще подобные картинки? Встречаются ли такие явления в жизни человека? Мне стало очень интересно. И было принято решение выбрать данную тему для исследовательской работы. Работая над этой темой, можно развить свое воображение, открыть новое для себя, друзей и родных. Очень увлекательно рассматривать иллюзорные картины, находя в них скрытые от обычного восприятия предметы, так как 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 хорошо присмотреться.

Цель исследования: выяснить, что лежит в основе оптической иллюзии - чудеса или наука?

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Изучить, что такое оптические иллюзии.

2. Выяснить, почему возникают оптические иллюзии.

3. Рассмотреть виды оптических иллюзии.

Объект исследования: оптические иллюзии.

Предмет исследования: причины оптических иллюзий.

Методы исследования: изучение литературы, анализ интернет-сайтов, наблюдение, эксперименты.
Гипотеза: можно ли создать оптическую иллюзию в домашних условиях

Актуальность: мы мало знаем о причинах появления оптических иллюзий, но сталкиваемся с ними в повседневной жизни довольно часто. Знание истинных причин иллюзий помогает объяснить обманы зрения. Оптическая иллюзия есть везде: в кино, в граффити, в компьютерных играх, в фото и т.д. Узнав природу и структуру оптических иллюзий, гораздо проще понимать и использовать ее в жизни.

1. Теоретическая часть.

1. 1. Что такое оптические иллюзии.

Выражение «обман зрения» в жизни встречается очень часто. К сожалению, наш глаз не самый точный прибор в мире, поэтому и ему свойственно ошибаться. Эти ошибки называют оптическими иллюзиями.

Оптическая иллюзия — это впечатление о видимом предмете или явлении, несоответствующее действительности. В переводе с латыни слово "иллюзия" означает "ошибка, заблуждение".  Иллюзия возникает тогда, когда то, что мы видим, не совпадает с тем, что есть на самом деле, — это и есть обман зрения.

Их известно очень большое количество, и все они разные, как и причины их возникновения. Самые простые оптические иллюзии мы видим ещё в детстве, когда наблюдаем за тучами, облаками, которые складываются в витиеватые фигуры, необыкновенные формы. Природа - самый лучший и неиссякаемый источник иллюзий. Особенность оптических иллюзий состоит в том, что порою даже люди с идеальным зрением неспособны увидеть оптическое искажение, заметить обман.

1.2 Почему возникают оптические иллюзии

Человек воспринимает большую часть информации об окружающем мире благодаря зрению, но мало кто задумывается о том, как именно это происходит.

       Зрительный аппарат человека – сложно устроенная система с определенным пределом функциональных возможностей. В неё входят: глаза, нервные клетки, по которым сигнал передается от глаза к мозгу, и часть мозга, отвечающая за зрительное восприятие.

Глаз является сложным оптическим прибором. Его основная задача -   "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Вспомним, как работает наше зрительное восприятие.

- Свет отражается от определённого предмета, проходит сквозь роговицу и, проходя сквозь зрачок, преломляется хрусталиком, выступающим в роли прозрачной линзы, и попадает на сетчатку.

-  Сетчатка принимает световой импульс и передает его зрительному нерву.

 - Зрительным нервом сигнал передаётся в одну из долей головного Мозга, расположенную в затылочной части, и возникает изображение.

- Мозг переводит сигнал в зрительный образ.

Однако не все так просто:

Во-первых, изображение на сетчатке перевернуто.

Во-вторых, из-за несовершенных оптических свойств глаза картинка на сетчатке расплывчатая.

В-третьих, глаз совершает постоянные движения: скачки при рассматривании изображений, мелкие непроизвольные колебания, относительно медленные, плавные перемещения при слежении за движущимся объектом. Таким образом, изображение находится в постоянной динамике.

В-четвертых, глаз моргает приблизительно 15 раз в минуту, а это значит, что изображение через каждые 5-6 секунд перестает проецироваться на сетчатку.

Из-за большого числа этапов процесса зрительного восприятия возникают искажения, ошибки, сбои, но мозг человека обрабатывает полученную информацию и вносит необходимые коррективы. В тех случаях, когда подсознательная обработка информации недостаточна, или же избыточна, возникают оптические иллюзии.  Так слепое пятно – сетчатая оболочка глаза в том месте, где в глаз входит зрительный нерв, не имеет светочувствительных окончаний нервных волокон. Поэтому изображения предметов, приходящих на это место сетчатки, не передаются в мозг и, следовательно, не воспринимаются

Из этого следует, что зрение подконтрольно не столько глазу, сколько мозгу. Значит, не зрение обманывает нас, а мозг неправильно анализирует увиденное.

Таким образом, выделяются три основные причины возникновения оптических иллюзий:

          - ложная передача сигналов зрению при помощи нервов, вследствие чего мозг получает неверную информацию, приводя к искажённому изображению;

отражающийся от других предметов свет, который неправильно воспринимает зрительная система, из-за чего человек получает эффект обмана зрения;

временное нарушение мозговой деятельности, в связи с которым поступает недостоверная информация.

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

1.3 Виды оптических иллюзий

Все оптические иллюзии в зависимости от их происхождения можно разделить на 3 вида:

Естественные (созданные природой) – созданы самой природой, без участия человека. Мираж — уникальное природное явление, когда человек вполне реально видит перед собой какие-либо объекты, которые затем как по волшебству исчезают. Ученые давно вполне обоснованно рассказали о мираже, но увидеть мираж удается далеко не всем. Мираж — это оптический эффект, образующийся в момент, когда свет отражается между неравномерно нагретым и различным по плотности слоях воздуха. Проще говоря, это заманчивая игра воздуха со светом.

Иллюзия "Фата-моргана"

Это сложное оптическое атмосферное явление. Наблюдается оно крайне редко. По сути, фата-моргана «состоит» из нескольких форм миражей, благодаря которым отдалённые объекты искажаются и «раздваиваются» для наблюдателя.

Известно, что фата-моргана возникает тогда, когда в нижнем слое атмосферы образуются (как правило, из-за разницы температур) несколько количество чередующихся слоёв воздуха, имеющих различную плотность. В определённых условиях они дают зеркальные отражения.

Вследствие отражения и преломления лучей света, реально существующие объекты могут создавать на горизонте или даже над ним сразу несколько искажённых изображений, которые частично накладываются друг на друга и стремительно меняются со временем, тем самым создавая поразительную картину фата-морганы.

Иллюзия "Водопад "Лошадиный хвост"

Состоит из двух ниспадающих потоков, его общая высота достигает 650 метров. Этот красивый и в то же время пугающий водопад расположен в центральной части Национального Парка Йосемити. Он носит название Horsetail Fall (в переводе – «лошадиный хвост»).

Каждый год на протяжении 4–5 февральских дней туристы могут увидеть редчайшее явление – лучи закатного солнца отражаются в ниспадающих потоках воды. В эти моменты водопад окрашивается в огненно-оранжевый цвет. Кажется, что с верха горы стекает раскалённая лава, но это всего лишь оптический обман.

Иллюзия "Световой столб"

Свидетелями световых (или солнечных) столбов мы становимся достаточно часто. Так называется распространённый вид гало. Этот оптический эффект выглядит, как вертикальная полоса света, которая тянется от солнца при закате или восходе. Световой столб можно наблюдать, когда свет в атмосфере отражается от поверхности мельчайших кристаллов льда, имеющих форму ледяных пластин или миниатюрных стержней с 6-угольным сечением.

Кристаллы подобной формы образуются чаще всего в высоких перисто-слоистых облаках. Но если температура воздуха достаточно низкая, они могут появляться и в менее высоких слоях атмосферы.

Иллюзия "Три солнца"

Это невероятное явление известно, как паргелий, и возникает оно тогда, когда солнечные лучи преломляются в кристаллах льда, которые находятся в атмосфере.

Иллюзия "Полярное сияние"

Полярное сияние – это невероятно эффектное зрелище в Арктике и Антарктиде. Красочные пласты света превращают бесконечные зимние ночи в настоящие лавовые лампы. Полярное сияние, а точнее северное и южное полярное сияние, происходит, когда солнечные частицы, выброшенные солнечными вспышками, притягиваются магнитным полем Земли к северному или южному полюсу, сталкиваясь с атмосферными газами и излучая фотоны или частицы света. В результате появляются светящиеся пласты зеленого, красного, белого, пурпурного и синего света.

Иллюзия "Лунная"

Когда полная Луна склоняется низко над горизонтом, она визуально имеет намного больший размер, чем, когда находится высоко в небе. Это явление серьёзно озадачивает тысячи пытливых умов, пытающихся найти ему какое-то разумное объяснение. Но на самом деле это – обычная иллюзия.
Самый незамысловатый способ подтвердить иллюзорность данного эффекта — подержать в вытянутой руке маленький округлый объект (к примеру, монету).

Сравнивая размеры этого объекта с «огромной» Луной у горизонта и «крошечной» Луной в небе, вы удивитесь, ведь поймёте, что её относительный размер не претерпевает никаких изменений. Можно также свернуть лист бумаги в форме трубы и смотреть через образованное отверстие исключительно на Луну, без любых окружающих её объектов. Опять же, иллюзия исчезнет.

Искусственные (придуманные человеком). Этот вид часто используют фокусники-иллюзионисты. Такие иллюзии имеют конструктивный секрет и объясненный механизм возникновения и действия.

Иллюзии движения

Эти иллюзии трудно объяснить, но они производят сильное впечатление. Если некоторое время смотреть на неподвижный объект, он начинает двигаться. Вращение изображения может быть в разные стороны. Эти иллюзии возникают из-за различных факторов, таких как контрастность, мерцание, повторение и т.д.

Иллюзия мерцания: возникает, когда объекты, которые быстро вспыхивают, воспринимаются как движущиеся. Это связано с тем, что наш мозг интерпретирует быстрое мерцание как движение.

Иллюзия вращающегося диска: возникает, когда два диска, расположенные рядом друг с другом, вращаются в противоположных направлениях. Наш мозг воспринимает это как движение, хотя на самом деле диски не двигаются.

Иллюзия нестабильности: происходит из-за того, что объекты на фотографии расположены под углом или наклонены. Наш мозг интерпретирует эти наклоны как движение, даже если на самом деле объекты не двигаются.

Иллюзия спирали: основана на повторяющихся узорах или формах. Если узор или форма повторяются по спирали, наш мозг интерпретирует это как движение.

Невозможный слон Шепарда: это оптическая иллюзия, которая создает впечатление, что слоны на картинке движутся. Эта иллюзия была создана японским художником Пако Фукада и основана на работах американского психолога Роджера Шепарда. Несмотря на то, что слоны кажутся движущимися, они на самом деле не меняют своего положения на картинке.

Иллюзии восприятия размера

Это искажения восприятия размеров, форм, расстояний и углов между объектами, вызванные особенностями зрительного восприятия. Они возникают из-за несовершенства нашего зрения и особенностей обработки визуальной информации мозгом.

Иллюзии цвета

Оптические иллюзии цвета — это явления, возникающие из-за особенностей восприятия цвета человеческим глазом. Они могут быть вызваны различными причинами, включая особенности освещения, контрастность цветов, угол зрения и другие факторы.

Иллюзии восприятия глубины

Оптическая иллюзия восприятия глубины — это явление, при котором наш мозг ошибочно воспринимает расстояние или глубину объекта, основываясь на визуальных сигналах. Это может происходить из-за различных факторов, таких как размер, цвет, контраст, текстура, движение и относительное расположение объектов в поле зрения.

Двойственные изображения и перевертыши

Одним из видов искусственных иллюзий являются двойственные изображения. Такие, где мы зрительно определяем для себя или фон, или предмет. Изображения – перевёртыши можно сколь угодно пытаться перевернуть. Они не поменяются местами.

Смешанные (естественные иллюзии, которые воссоздал человек) – это и модель миража, и иллюзионные картинки. 

1.4. Применение иллюзий в жизни

Применение оптических иллюзий не является новинкой в архитектуре. Еще в Древнем Риме архитекторы имели достаточное количество знаний для того, чтобы мастерить искусные оптические иллюзии на полах в мозаичной технике. В Одессе находится одна очень знаменитая достопримечательность, которая носит название «Ведьмин дом». Он выглядит абсолютно плоским. Такая оптическая иллюзия создается при помощи боковых стен дома, которые построены под острым углом.

Многие иллюзии в цирке создаются с помощью техники двойного дна, специально просчитанная схема установки зеркал, скрытых перегородок и пружин, расположенных в определенных точках. Мудрая техника производит разнообразные таинственные исчезновения людей и предметов, помогает предметам и людям парить в воздухе, распиливать или сжигать их.

Мода — это тоже мир оптических иллюзий. Рассматривая историю костюма, можно сразу же заметить, что талию делали визуально меньше за счет широкой юбки, завышая линию талии можно было легко удлинить ноги. А вот вертикальные линии в одежде и ее деталях и увеличат рост и сделают стройнее, например стрелки на брюках, каблуки, длинные шарфики. Люди давно научились активно применять свои знания о зрительных иллюзиях в разных отраслях жизни.  На сегодняшний день зрительные иллюзии стали основой кинематографа и телевидения, многих современных компьютерных и виртуальных технологий. Изучение иллюзий позволяет лучше понимать природу этого явления и расширять возможность использования иллюзий в художественной сфере.

2. Практическая часть

Для подтверждения нашей гипотезы мы провели ряд опытов.

Опыт 1. «Водяная иллюзия». (Приложение 1)

Я использовала: прозрачный стакан с водой, листок бумаги с двумя стрелками в любую сторону.

Наливаем в прозрачный стакан воду. Подносим стрелки к стакану и смотрим, как стрелка поменяла своё направление

Вывод: вода работает как зеркало отражая стрелку.

Опыт 2. «Сломанный карандаш». (Приложение 1)

Я использовала: прозрачный стакан с водой, карандаш.

В прозрачный стакан наливаем обычную воду. Кладем карандаш в воду. И смотрим на иллюзию, как карандаш разрезался (преломился).

Вывод: карандаш в воде выглядит сломанным. В воздухе лучи света передаются на сетчатку глаза по прямой- без отклонений. Если же предмет поместить в воду, то отражённый от карандаша свет попадает в глаза под другим углом за счёт преломления на границе вода-воздух, что приводит к тому, что положение карандаша в воде кажется иным, в результате на границе вода-воздух карандаш кажется сломанным.

Опыт 3. «3-D Рисунок - иллюзия объёмной лестницы». (Приложение 2)

Берём лист А4 линейку, карандаш (серый или чёрный), фломастер.

Лист сгибаем пополам. Разгибаем лист и рисуем карандашом параллельные друг другу две линии по середине листа. Потом фломастером чертим под углом две линии так как на фотографии. Повторяем тоже самое, с другой стороны. Чертим перекладины с помощью линейки, без наклона! Рисуем перекладины карандашом тоже с помощью линейки. Сгибаем лист и нас получилась оптическая иллюзия, кажется, что лестница настоящая! лестница может выглядеть как лестница, но на самом деле это плоская поверхность, где углы и тень распределены так, чтобы обмануть ваш мозг.

Вывод: так происходит потому, что тень кажется настоящей, как и лестница.

Опыт 4. «Исчезающий рисунок». (Приложение 2)

Я использовала: лист белой бумаги, фломастеры, прозрачный пакет или файл, емкость с водой.

Нарисуем рот с вредными микробами на листке бумаге. Вложим лист в прозрачный файл или пакет. Черным маркером обведем контур нашего рисунка. Опустим все это в воду. Под определенным углом наши микробы в воде исчезнут.

Вывод: все дело в преломлении света. Любое изображение — это свет. Лучи света, проходя через разные среды, такие как воздух, вода, прозрачный пакет, преломляются на их границах. На пути основного рисунка больше преломлений. И поэтому с контуром на пакете основное изображение несколько расходится. И вот мы уже видим только очертания рисунка, а основной рисунок с микробами будто пропадает. Главное - под каким углом посмотреть.

Заключение.

В ходе проведения исследовательской работы я сделала выводы, что иллюзия – это не чудо, а наука. Гипотеза, выдвинутая в начале исследования, подтвердилась – практически в основе всех иллюзий лежат обычные природные явления. Поставленные цели и задачи исследования выполнены.

Список источников информации:

1. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах (книга I, книга II) «Тезис», 1994г.

2. Суперкнига для юного учёного/В. Шваб.-Москва, 2018г.

3. Энциклопедия для детей. Том18 Человек. Ч1/-Аванта+, 2001г.

4.   https://m-focus.ru/opticheskaya-illyuziya-vidy-princip-raboty-i-primenenie/

Приложение 1

Опыт № 1: «Водяная иллюзия»

Опыт 2: «Сломанный карандаш».

Приложение 2

Опыт 3: «3-D Рисунок - иллюзия объёмной лестницы»

О пыт 4: «Исчезающий рисунок»