Оптические иллюзии: необычные физические явления в природе

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Оптические иллюзии: необычные физические явления в природе

Красков Д.Н. 1
1Березовское муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей № 7» им. А.А. Лагуткина
Леонова М.В. 1
1Березовское муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей № 7» им. А.А. Лагуткина
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Когда сидишь за школьной партой, бывает такое, что физика вызывает скуку. Но давайте посмотрим вокруг, стараясь замечать необычное в обыденном. Физические явления и процессы везде и всюду, многие знакомы каждому с детства. Возможно, без них мир не рухнет, но человечество потеряли бы многое в плане красоты. Помимо основной функции, природные явления призваны удивлять, восхищать, любоваться, иметь возможность перенести впечатления от увиденной красоты на лист бумаги. Кроме того, явления природы своим существованием являются первопричиной многочисленных научных открытий. Таким образом, можно уверенно сказать, что весь наш мир построен на законах физики, которые играют ключевую роль в понимании природных процессов.

Выбранная тема актуальна, я считаю, тем, что наибольшее количество информации и сведений об окружающем мире человек получает через глаза. Но, к сожалению, наш глаз часто ошибается, принимая иллюзию за реальность. Эти заблуждения называют оптическими (или зрительными) иллюзиями. Их известно очень большое количество, природного и неприродного характера. Все они разные, как разные у них и причины возникновения. В данной исследовательской работе я рассмотрю оптические иллюзии природного характера.

Оптические иллюзии в природе – действительно ли они иллюзорны или объясняемые законами физики? Стоит ли доверять наблюдаемому? Каково разнообразие природных иллюзий? Можно ли самому создать оптическую иллюзию подобно природной?

Ответы на эти вопросы я постараюсь изложить в своей исследовательской работе. У кого-то они вызовут встречный интерес, и он найдет новое увлечение из сферы физики. Этим, по моему мнению, тема проекта дополнительно актуальна.

К тому же подробности оптических природных явлений до сих пор не раскрыты полностью. Погрузившись в их изучение, я наткнулся на сведения, что в описываемых природных процессах выделяется энергия, которая никак не используется человечеством. Почему бы тогда не научится создавать их искусственно?

Исходя из данных рассуждений, я сформулировал цель работы: Исследовать проявления природы, как оптические явления и выяснить условия, при которых они появляются, благодаря чему создать природные иллюзии и оптические явления природы в лабораторных условиях кабинета физики.

Для достижения цели работы мною были сформулированы задачи:

  1. Изучить теоретический материал по теме исследования, собрать информацию о природных явлениях, связанных с оптическими иллюзиями.

  2. Выявить природу и места их образования, объяснить возникновение наиболее ярких природных оптических явлений с точки зрения законов физики.

  3. Создать собственную природную иллюзию – научиться репродуцировать природное оптическое явление в домашних условиях и дать объяснение наблюдаемому опыту.

  4. Сделать выводы по теме исследования.

Гипотеза: описываемые исследованием явления с давних времен изучает и будет продолжать изучать человечество. А всегда ли можно верить тому, что видишь?

Методы исследования:

1. Изучение теоретического материала по теме – поиск в различных источниках: книги, статьи, сеть Интернет.

2. Эксперимент – проведение опытов.

Объект исследования: природные физические явления – оптические иллюзии.

Предмет исследования: причины возникновения природных оптических иллюзий.

Практическая значимость работы состоит в возможности применения данных материалов в ходе проведения уроков, внеклассных мероприятий для школьников, расширяя кругозор.

Теоретическая часть

1. Явления природы как оптические иллюзии

Природа умеет создавать невероятно красивые оптические иллюзии. К ним можно отнести десятки явлений – как редких, так и достаточно распространенных. Природа – это самая настоящая физическая лаборатория!

Далее я расскажу про пять, на мой взгляд, самых известных и удивительных природных явлений, связанных с иллюзией.

    1. Виды природных явлений, связанных с иллюзией

1.1.1. Фата-моргана (рис.1). Такое название дали сложному оптическому атмосферному явлению, которое встречается крайне редко. Попробуем «аномалиям рефракции» дать простое объяснение. По сути, Фата-моргана состоит из нескольких форм миражей (слово «мираж», которое с французского переводится как «видимость» – явление, досконально не изученное и довольно сложно формулируемое на языке оптической физики), благодаря которым отдаленные объекты искажаются и раздваиваются для наблюдателя. Фата-моргана образуется тогда, когда в нижнем слое атмосферы формируются несколько чередующихся слоев воздуха, имеющих различную плотность.

Известно, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно, но в условиях разной плотности его лучи начинают преломляться, причем, чем больше разница в плотности соседствующих сред, тем больше будет искажение. Самый простой и наглядный пример – это ложка, находящаяся в прозрачном стакане с водой: преломление как раз происходит на стыке сред разной плотности – воздуха и жидкости, что создает эффект «сломанной» ложки.

     

Рисунок 1. Оптические явления в природе.

1.1.2. Полярное сияние, иначе его называют северным сиянием или Авророй (рис.2). Это самое известное оптическое явление, и при этом оно одно из самых красивых. Его отслеживают, пытаясь поймать на рассчитанной локации, составляют карты и строят предварительные прогнозы на основе наблюдений. Оно объясняется как свечение верхних слоев атмосферы, возникающее в результате взаимодействия частиц солнечного ветра с магнитосферой планеты. Столкновение высокоэнергичных частиц плазменного слоя с верхними слоями атмосферы вызывает люминесценцию атомов и молекул воздуха: они переходят в возбуждённое состояние и излучают в видимом диапазоне. Это и вызывает появление наблюдаемых глазом полярных сияний. Цвет полярного сияния в значительной степени определяется высотой его появления. Наблюдать за Северным сиянием можно в высоких широтах каждого полушария. Длительность этого эффекта составляет от десятков минут до нескольких суток. Прошедшей зимой даже мой родной Берёзовский пару раз встречал отголоски сияния.

     

Рисунок 2. Полярное сияние. Аврора.

1.1.3. Лунная иллюзия (рис.3) Данный эффект происходит, когда полная луна появляется близко к линии горизонта. В таком случае она визуально имеет больший размер, когда находится высоко в небе. На ее фоне строения кажутся совершенно детскими макетами. Подобное явление озадачивает всех любопытных наблюдающих, пытающихся дать какое-либо разумное объяснение происходящему. Однако к их разочарованию, это обычная природная иллюзия.

Имеются четыре основных теории об этом. Первая – теория о роли конвергенции глаз: это способность глаз смотреть на одну точку при фокусировке на близком объекте. Это происходит из-за сокращения мышц, которые управляют движением глаз. В этом случае величина луны зависит от степени конвергенции глаз наблюдателя. То есть иллюзия Луны – это результат усиления импульсов к конвергенции глаз, возникающих у наблюдателя, когда он поднимает взгляд на Луну, и глаза сами стремятся дивергировать.

Вторая теория – теория кажущейся удаленности: мозг человека видит небо не как полусферу, чем оно на самом деле является, а сплюснутый купол. Наблюдая за облаками, птицами и самолетами, человек видит, что они уменьшаются при приближении к горизонту. В отличие от земных объектов, луна, находясь вблизи горизонта, имеет примерно такой же угловой диаметр, как и в зените, но человеческий мозг пытается компенсировать перспективные искажения и предполагает, что диск луны должен быть физически большим.

Третья теория – теория относительного размера, когда воспринимаемый размер зависит не только от размера на сетчатке, но и от размеров остальных объектов в поле зрения, которые мы наблюдаем одновременно. При наблюдении луны близко к горизонту нам на глаз попадаются другие объекты, такие как дома, башни и прочие. Но когда мы наблюдаем за луной в открытом пустом небе, она кажется совсем небольшой на фоне пустоты.

И, наконец, теория картографического восприятия. Согласно данной теории, лунная иллюзия может возникать из-за того, что наш мозг воспринимает небесную сферу не как трехмерный объект, а как его проекцию на плотность. Так как астрономические наблюдения чаще всего проводятся в вертикальном положении, то это плоскость – площадь цилиндра с основанием, стоящим на линии горизонта. Интуитивно ожидается, что чем выше над горизонтом расположен объект, тем больше должна быть его проекция на поверхность воображаемого цилиндра. Однако в случае с луной, ее угловой размер не меняется, поэтому наш мозг трактует это как уменьшение наблюдаемого размера луны при удалении от линии горизонта.

     

Рисунок 3. Лунная иллюзия.

1.1.4. Соляные пустыни (солончаки) (рис.4) Не часто упоминаемое природное явление, но часто встречаемое во всех уголках земли. Находясь там, искажается восприятие пространства, складывается ощущение чего-то неземного: необъятность и безграничность. Это происходит из-за постоянного спутника пустынь – отсутствие любых ориентиров, лишь сплошная плоскость до горизонта. Солончаки появляются из-за сильного испарения воды с поверхности почв в условиях определенного типа водного баланса почвы. При близком расположении грунтовых вод к поверхности расход воды на испарение компенсируется за счет их притока.

Этот эффект создается с помощью того, что солончаки покрываются тонким слоем воды, и создается впечатление, что все становится зеркальным. Также создается впечатление, что ты находишься в полете. Одна из известных соляных пустынь – это высохшее соляное озеро «Солончак Уюни», расположенное в южной части Боливии. Это самый крупный солончак на планете. Другие известные соляные пустыни – Бонневиль, Койпаса, Марас, Этоша и др.

     

Рисунок 4. Соляные пустыни. Солончаки.

1.1.5. Огненный водопад (рис.5). Лошадиный хвост (его общая высота 650 метров). Этот красивый и в то же время пугающий водопад расположен в центральной части национального парка Йосемити в штате Калифорния (США). Ежегодно в феврале на протяжении 4-5 дней можно увидеть редчайшее явление, когда лучи закатного солнца отражаются в ниспадающих потоках воды. В эти моменты водопад окрашивается в огненно-оранжевый цвет, напоминая раскаленную лаву.

Это происходит, когда солнце садится под определенным градусом, и его лучи отражаются в воде как в зеркале. В таком случае можно увидеть эффект огненной лавы прямо в водопаде. Но для такого красочного эффекта нужно ещё и достаточное количество снега, питающего поток воды с водопада; устойчивая оттепель, чтобы растопить снег, нападающий зимой, еще требуется ясная бестуманная погода во время эффекта, чтобы солнечные лучи свободно светили и отражались в воде. Кроме того, чтобы увидеть это зрелище, надо выбрать правильное место для наблюдения, где свет будет падать под правильным углом.

     

Рисунок 5. Лошадиный хвост.

Однако, на самом впечатляющем, на мой взгляд, явлении природы я хочу остановиться детальнее.

    1. Эффект Гало

Однажды я увидел на небе, без преувеличения, три солнца, соединенных радугой. Мой рот открылся от изумления, и я углубился в энциклопедии. Текущая зима на Урале радовала ясной и морозной погодой. Такое явление я неоднократно увидел за прошедшие зимние месяцы. Явление это легко объяснилось с помощью физических законов.

А имя оптической иллюзии – Гало. Эффект Гало – это один из самых известных оптических феноменов, наблюдая за которым человек может видеть светящееся кольцо вокруг мощного источника света. Практически все гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы, сосредоточенные в перистых облаках в верхних слоях тропосферы. Вид гало определяется формой и расположением этих миниатюрных кристаллов.

Один из потрясающих видов гало – это паргелий (или ложное солнце) и выглядят как два ярких пятна по обе стороны от солнца на одном уровне с ним. В редких случаях, когда солнечный свет проходит сквозь перистые облака под необходимым углом, эти два пятна становятся настолько же яркими, как и само Солнце. Гало обычно появляется вокруг солнца или луны, а иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Существует множество типов гало, но все они вызваны преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках в верхних слоях тропосферы на высоте 5-10 км.

Вид гало зависит от формы и расположения кристаллов. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу. Наиболее яркими и полноцветными бывают паргелии и зенитная дуга, менее яркими – касательные малого и большого гало.

В тусклом лунном гало глаз не различает цветов, что связано с особенностями сумеречного зрения.

Иногда, в морозную погоду, возможно появление гало, образуемое кристаллами льда, взвешенными в атмосфере близко к земной поверхности. В этом случае гало напоминают сияющие драгоценные камни (так называемая «алмазная пыль»), а нижняя часть гало может быть видна на фоне окружающего пейзажа, если Солнце находится достаточно низко над горизонтом.

Наиболее часто видимое гало имеют 22-градусный круг. В малом 22-градусном гало различима только часть цветов спектра (от красного до жёлтого), остальная часть выглядит белой из-за многократного смешения преломленных лучей. Паргелический круг и ряд других дуг гало почти всегда белые. Следует отличать гало от венцов. Венцы имеют меньший угловой размер (до 5°) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман.

Касательные дуги 22-градусного круга. Дуги, окрашенные в радужные цвета, появляются над или под светилом, касаясь 22-градусного круга. При низком положении светила вытягиваются концами кверху. По мере увеличения высоты приближаются к кругу. При 45-градусной высоте концы дуг смыкаются и образуют овал.

46-градусный круг. Интересна особенность большого 46-градусного гало – оно тусклое и малоцветное, в то время как почти совпадающая с ним при малой высоте солнца над горизонтом верхняя касательная дуга имеет выраженные радужные цвета, с особенно ярким зелёным. Появление этого круга обычно происходит в очень тонком и равномерном слое облаков.

Околозенитная дуга. Почти всегда появляется вместе с 46-градусным кругом, касаясь его верхней части своей выпуклой стороной. Цвета ярко выражены, напоминает собой радугу. Редко бывают касательные нижней части 46-градусного круга, которые располагаются по обеим сторонам светила.

Зенитная дуга. Один из видов гало, который часто называют перевёрнутой радугой. Обычно наблюдается, когда на небе есть перистые облака.

Паргелический круг. Совершенно лишен радужной окраски, имеет чистый белый цвет. Располагается параллельно горизонту и проходит через светило. Иногда вместе с ним наблюдаются и столбы. В таких случаях около светила образуется крест, что часто вызывает суеверные представления о «крестных знамениях».

Имеются и довольно редкие формы гало:

  1. Антелий – светлое, довольно размытое белое пятно, расположенное на месте паргелического круга, в противоположной светилу стороне.

  2. Парантелии – пятна как антелии, появляющиеся в паргелическом круге на расстоянии 120 градусов от светила по обеим от него сторонам.

  3. Антелические дуги – дуги, обычно белые, проходящие к небу от антелия к светилу, по обеим сторонам от зенита, на некотором расстоянии от него.

  4. Дуга Парри – расположена между верхними концами касательной 22-градусного круга и имеет радужную окраску.

Я захотел погрузиться еще более глубоко стал искать историю явления. И вот, что нашел в разных источниках.

      1. История явления

Одно из самых ранних и подробных описаний гало встречается в Лаврентьевской летописи под 1104 годом, где говорится о солнечном гало с двумя ложными солнцами и таким редким явлением как касательная дуга, и вдобавок о подобном же лунном гало, наблюдавшихся три дня днём и ночью соответственно (описание этого гало с иллюстрацией также помещено в казанский Лицевой летописец о небесных явлениях начала XVII в.): «Стояло солнце в круге, а посередине круга крест, а посередине креста солнце, а вне круга по обе стороны два солнца, а над солнцем вне круга дуга рогами на север; такое же знамение было и в луне, такого же точно вида, в течение трех дней 4, 5 и 6 февраля, днем в солнце, а ночью в луне, три ночи подряд».

В старину разнообразным гало, как и другим небесным явлениям, приписывалось мистическое значение предзнаменований (как правило, дурных, особенно если гало принимало крестообразную форму, которая трактовалась как крест или меч, или появлялись двойники светила), чему известно множество летописных свидетельств.

Например, в 1551 году после длительной осады войсками императора Карла V немецкого города Магдебурга в небе над городом появилось гало с ложными солнцами. Это вызвало переполох среди осаждавших. Поскольку гало было воспринято как небесное знамение в защиту осаждённых, Карл V приказал снять осаду города. Считается, что крупный вклад в изучение и систематизацию гало внёс голландский астроном Марсел Миннарт (12.02.1893 – 26.10.1970).

А еще интересный факт, что во времена, когда метеорологии не существовало, гало и подобные ему оптические явления использовались для предсказания погоды. Например, русские народные приметы говорят, что появление вокруг луны подобных светлых колец, дуг, пятен, столбов – к дождю.

    1. Физические законы оптических природных явлений.

Основные физические законы, объясняющие оптические природные явления – это законы преломления и отражения света. Они описывают, как свет взаимодействует с различными средами и поверхностями.

Закон преломления света гласит, что при переходе света из одной среды в другую его скорость и направление изменяются. Это происходит из-за различия в показателе преломления между двумя средами. Показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.

Закон: «Отношение синусов угла падения и угла преломления есть величина постоянная для данных сред и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой».

Закон отражения света гласит, что свет, падающий на поверхность, отражается от нее под тем же углом, под которым он падает. Это объясняет, почему мы видим отражение объектов в зеркале или на поверхности воды.

Закон: «Угол падения равен углу отражения. Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр, восстановленный к плоскости отражения в точке падения луча, лежат в одной плоскости». Эти законы не только позволяют объяснить многие природные явления (оптические иллюзии), они широко используются в различных областях науки и техники, таких как оптика, телекоммуникации и медицина.

2. Практическая часть исследовательской работы

Конечно, очень хотелось создать в домашних условиях эффект Гало, но, чем больше я погружался в его изучение, тем понятнее становилось, что для этого нужны более серьезные, узкоспециализированные условия для проведения подобных экспериментов. Поэтому в лабораторных условиях кабинета физики я решил создать одну из самых часто наблюдаемых оптических иллюзий – радугу. В ходе эксперимента я проверил несколько способов создания радуги, и все результаты оказались положительными. Данные опыты легко можно произвести и без лабораторного оборудования, используя лишь подручные средства. Но вначале приведу описание известных способов с использованием, как естественного солнечного света, так и без него (но нужен яркий фонарик).

2.1. Физические законы появления радуги – оптического природного явления.

Радуга – это оптическое явление, которое возникает из-за преломления и отражения света в каплях воды. Когда свет проходит через капли, он преломляется и отражается от их поверхности. Это происходит из-за различия в показателе преломления между воздухом и водой.

Так, когда свет проходит через каплю воды, он преломляется и отражается от ее внутренней поверхности. При этом происходит разделение света на спектральные цвета. Каждый цвет соответствует определенной длине волны света. Затем свет выходит из капли воды и преломляется снова, когда он проходит через воздух. Это преломление происходит под другим углом, чем при входе в каплю воды. В результате этих процессов мы видим радугу – дугу из спектральных цветов. Каждый цвет радуги соответствует определенной длине волны света, которая преломляется и отражается от капель воды. Таким образом, радуга – это результат преломления и отражения света в каплях воды, который приводит к разделению света на спектральные цвета.

2.2. Способы создания радуги в лабораторных либо домашних условиях

  1. Место испытания – открытый воздух. Требуется выбрать любое солнечное место и распылить из мелкодисперсионного пульверизатора воду, пока не появится искомая радуга. Однако нужно помнить, что солнце должно быть низким – не более 42 градусов от горизонта.

  2. Место испытания – помещение. Необходимо выбрать солнечный участок комнаты, поднять стакан воды над горизонтальной поверхностью, пока на полу не появится радуга.

  3. Ёмкость с водой следует поместить в солнечное место так, чтобы свет проходил сквозь воду на закрепленное в ней зеркало. После того, как все указанные действия произведены, лист бумаги поместить над емкостью. В таком положении получится создать радугу: подобрать градус, чтобы показалась четкая радуга.

  4. Последовательность действий – такая же, как в способе №3, только роль солнца играет фонарик.

  5. В качестве источника возникновении радуги используется компакт диск. Требуется посветить фонариком на поверхность диска под небольшим углом в темном помещении. При этом на стене появятся две зеркальных радуги.

Конечно, часть способов, которые проводятся на открытом воздухе, исключаются в условиях зимы.

2.3. Описание эксперимента по проявлению природного явления «радуга» в домашних условиях

ОПЫТ 1. Цель эксперимента: получение радуги в домашних условиях.

Используемые предметы: мелкодисперсный пульверизатор с водой.

Описание эксперимента. Около 12 часов дня, когда солнце не поднялось еще высоко, выбрав окно, где лучи беспрепятственно проходили в комнату, пульверизатором распылял воду на комнатное растение. На фоне лучей четко проявилась радуга.

ОПЫТ 2. Используемые предметы: прозрачный стеклянный стакан с водой.

Описание эксперимента. Выбрал солнечное окно в комнате, поставил стакан с водой на подоконник, на полу не появилась радуга

ОПЫТ 3. Используемые предметы: фонарик, зеркальце, емкость с водой.

Описание эксперимента. Взяв неглубокую емкость с высокими, вертикальными стенками, я поставил в нее небольшое зеркало в емкость, прислонив его к стенке емкости. А) поставил на солнечный подоконник так, чтобы лучи падали на зеркало, а над емкостью поместил лист чистой бумаги. Б) с помощью фонарика я посветил на подводную часть зеркала и немного его подвигал, пока на стене не появилась радуга. В обоих вариантах нужно подобрать угол наклона фонарика и зеркала так, чтобы показалась четкая радуга. Обнаружил, что в темной комнате радуга проявила себя ярче: на стене появилось отражение всех ее цветов, насыщенное и четкое.

А) Б)

ОПЫТ 4. Используемые предметы: фонарик, компакт-диск. Описание эксперимента. В темном помещении положил горизонтально компакт-диск. Посветил под небольшим углом на поверхность диска фонариком. На стене появилась радуга.

Вывод: Емкость с водой и погруженным в нее зеркалом действует как огромная капля в природе. Белый свет плотным пучком направляется через нее вниз, а потом возвращается обратно, преломляясь и разделяясь на отдельные цвета.

Заключение. Выводы о значении исследуемой темы.

Теперь я могу сделать вывод, что природная иллюзия – это не чудо, а наука. А необычные физические явления в природе – это не иллюзии и не обман зрения. Полученные знания помогли мне объяснить их, как физическое явление преломления света на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера. Еще знания позволили мне научиться репродуцировать природные оптические иллюзии. Так, свет, преломляясь в оптически неоднородной среде, приводит к появлению радуги. Моя гипотеза нашла свое подтверждение. А эксперименты – это еще и очень увлекательное занятие, и я буду пополнять новый свой опыт.

Та же часть гипотезы, что не всегда то, что мы видим, на самом деле является таковым – тоже подтвердилась. Зрение можно обмануть. Как, например, описанные в исследовании соляные пустыни (солончаки) и фата-моргана. Наблюдая их, глаза передают в мозг новые образы, анализируя которые, он ошибается.

Список литературы

  1. Афонькин С. Чудеса природы. ООО ЛитРес, 2018. –

  2. Болушевский С.В., Яковлева М., Проневский А.Г.: Большая книга опытов с природными явлениями – Москва: Эксмо, 2018. – 240 с.

  3. Булат, В. Л.: Оптические явления в природе / В. Л. Булат. — Москва: Просвещение, 1974 — 143 с.

  4. Качур Е.: Увлекательная физика – Манн, Иванов и Фербер, 2019 – 80с.

  5. Лукин Александр Наша планета: Удивительные природные явления. Издательство «АРДИС», 2014. – 134 с

  6. Ожегов, С. И. «Словарь русского языка» / С. И. Ожегов. М.: 1990. -с.250

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гало

Просмотров работы: 19