XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оптические иллюзии световых лучей
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В повседневной жизни мы часто слышим выражение «обман зрения». С анатомической точки зрения, наш глаз не самый точный прибор в мире, ему свойственно ошибаться. Эти ошибки называются оптическими иллюзиями, как оказалось, причины их возникновения различны. Еще в раннем детстве, рассматривая облака, я наблюдал иллюзии, представляя себе необыкновенные фигуры в небе. Ведь природа - наилучший источник иллюзий. Соответственно, даже простейшие вещи могут скрывать в себе внезапные открытия, нужно только присмотреться. Каждый год в нашей школе проводятся «Колтуновские фестивали наук». В этом году в день физики и высоких технологий школьницы из 8 «В» класса представляли нам некоторые опыты, связанные с оптическими иллюзиями (Приложение 1). Мне стало интересно, как и почему это происходит?
Предмет исследования: оптические иллюзии
Объект исследования: основные законы геометрической оптики
Цель исследования: изучение оптических иллюзий и объяснение принципа их работы на основе основных законов геометрической оптики
Задачи:
-
Изучить литературу по данной теме;
-
Изучить основные законы геометрической оптики;
-
Объяснить принципы работы оптических иллюзий на основе основных законов геометрической оптики;
-
Провести анкетирование учащихся начальной школы;
-
Изготовить голографическую пирамиду и модель «Призрака Пеппера»;
-
Оформить буклет о солнечной системе со ссылками на 3D -голограммы;
-
Выступить со своей работой перед младшими школьниками.
Методы исследования:
-
Работа с информацией;
-
Анкетирование;
-
Экспериментирование;
-
Моделирование
Глава 1. Теоретическая часть
1.1. История возникновения оптических иллюзий
История изучения оптических иллюзий насчитывает не одну тысячу лет, ещё в 350 году до нашей эры Аристотель писал: «Нашим чувствам можно доверять, но их всё же легко обмануть». Великий мыслитель заметил, что, если некоторое 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 оптический феномен эффектом последействия движения или иллюзией водопада.
Оптика — (от греч. «наука о зрительных восприятиях») — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света. Оптика — одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна не менее чем за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Над существом оптических явлений размышляли Аристотель, Платон, Евклид, Птолемей. Первые высказывания о природе света были сделаны древними греками и египтянами. Согласно одной из этих теорий, свет, подобно течению воды из трубы, выходит из глаз человека, благодаря чему мы и видим окружающий мир [5].
1.2 Что такое оптические иллюзии?
Иллю́зия (лат. illusio «заблуждение; обман») — это обман чувств, нечто кажущееся, то есть искажённое восприятие реально существующего объекта или явления. Существуют несколько разновидностей иллюзий восприятия, которые могут возникать у людей, одними из которых являются оптические иллюзии [4]. В толковом словаре С. И. Ожегова сказано, что иллюзия – 1. Обман чувств, нечто кажущееся; болезненное состояние ошибочное восприятие предметов, явлений (спец.). Таким образом, оптическая иллюзия - это зрительная ошибка при восприятии, которая вызвана неточностью процессов бессознательной коррекции зрительного образа, а также физическими причинами. Человек воспринимает большую часть информации об окружающем мире благодаря зрению, но мало кто задумывается о том, как именно это происходит. Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, однако мы смотрим глазами, а видим мозгом. Зрение человека сосредоточено так: свет поступает сквозь зрачок к хрусталику, затем он попадает на сетчатку глаза, которая передает импульс зрительному нерву. В свою очередь, зрительный нерв посылает сигнал мозгу, а уже мозг переводит этот сигнал в зрительный образ [1]. При этом, картинка поступает в перевёрнутом виде, которую мозг переворачивает. Глаза и мозг постоянно обманывают друг друга, создают несуществующие образы, а порою мешают увидеть главное.
Авторы книги Г. Соломон и У. Цинн утверждают, что оптические иллюзии отличаются от зрительных. Оптические иллюзии, что скрывается в названии, вызываются каким-либо внешним устройством, обычно оптическим, - линзой, стеклянной призмой или зеркалом. Например, телескоп создает иллюзию увеличения, зеркало (или отражение в воде) может создавать иллюзию перевернутости отображения. Голограмма – это иллюзия пространственного изображения. В свою очередь, зрительная иллюзия создается самой зрительной системой, а не внешним прибором или устройством. Она является результатом естественного стремления головного мозга извлечь определенный смысл из получаемой через глаза информации, которая бывает часто недостаточной, искаженной и может противоречить информации, поступающей от других органов чувств [6].
1.3 Основные законы геометрической оптики
Для того, чтобы объяснить оптические иллюзии, необходимо изучить основные законы геометрической оптики. Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части: геометрическая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах; волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света; квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом [3].
Геометрическая оптика — это раздел оптики, в котором законы распространения света в прозрачных средах и получение изображений рассматриваются на основе представления о световом луче как линии, вдоль которой распространяется световая энергия.
Основные законы геометрической оптики:
-
Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно, т. е. лучи света представляют собой прямые линии.
-
Закон преломления: устанавливает изменение направления распространения света при переходе из одной однородной среды в другую.
-
Закон отражения: устанавливает изменение направления луча света при встрече с отражающей (зеркальной) поверхностью.
-
Закон независимого распространения лучей: отдельные лучи не влияют друг на друга и распространяются независимо [2].
1.4 Оптическая иллюзия «Призрак Пеппера»
Показ призраков был популярным театральным развлечением в конце XVIII и в XIX веках. В 1863 г. лондонский химик Джон Генри Пеппер усовершенствовал метод показа призраков, придумав иллюзию присутствия кого-то в комнате (Приложение 2). Позже такую технику стали называть «призраком Пеппера». Ученый начал показывать иллюзию, разъезжая по театрам Англии и Австралии, удивляя публику.
Суть иллюзии заключалась в использовании оптических законов и использовалась для создания «призрака» на сцене. Зритель должен видеть пространство основного помещения, где под углом в 45° к зрителю установлено стекло, и не должен видеть скрытой комнаты. Граница стекла должна быть невидима. Этого можно достичь с помощью грамотно продуманного рисунка пола. Скрытая комната обычно идентична видимому помещению, но окрашена в чёрный цвет, и когда скрытая комната освещается, только объекты, отражающие свет, отражаются в стекле, создавая эффект призрачного изображения, находящегося в видимой комнате. Отражение в вертикально установленном под небольшим углом стекле создаёт присутствие трёхмерного мерцающего призрака [7].
Глава 2. Практическая часть.
2.1 Анкетирование учащихся начальной школы
Для того, чтобы выяснить, каковы знания учащихся начальной школы по данной теме, я с учителем разработал анкету для младших школьников. (Приложение 3). На вопросы анкеты отвечали учащиеся 3 и 4 классов (Приложение 4).
Вывод: большинство ребят начальной школы дали положительный ответ.
Вывод: правильный вариант ответа выбрали меньшее количество учащихся. Ребята посчитали «перевёрнутое изображение предметов» оптической иллюзией.
Вывод: вопрос «Что является причиной оптических иллюзий» оказался сложным для ребят. Многие выбрали вариант под буквой «Е», сказав, что не знают причин и хотят узнать.
Вывод: 11% учащихся дали отрицательный ответ на последний вопрос, зато 89% ребят выбрали положительный ответ и захотели создавать оптические иллюзии самостоятельно. Я выяснил, что интерес к моей теме у ребят начальной школы ярко проявился. Большинство ребят захотели узнать причину возникновения оптических иллюзий и создавать их самостоятельно, потому я решил поделиться своими знаниями с учащимися и выйти к ним со своей работой.
2.2 Экспериментирование. Законы геометрической оптики
Чтобы понять принципы работы оптических иллюзий, необходимо разобраться в основных законах геометрической оптики с помощью опытов.
Опыт 1. Прямолинейное распространение света (Приложение 5). Оборудование: точечный источник света – карманный фонарик, пластилин в виде шара на нитке.
С помощью фонарика я осветил шар из пластилина, который висел на нитке. Увидел, что шар отразил равномерную тень на столе. Данный опыт показывает образование теней. Вывод: свет, идущий от точечного источника света – карманного фонарика по световому лучу коснулся крайних точек пластилинового шарика, продолжал идти по прямой линии за шаром, что доказывает отсутствие света за шариком. Если бы линии были кривыми, то попали бы за шарик, следовательно, наш свет распространился прямолинейно.
Опыты 2-4. Преломление света (Приложение 6).
Опыт с монетой. Оборудование: прозрачная ёмкость с водой, монета.
Я налил немного воды в ёмкость и опустил монету – её не было видно. Но, как только я добавил воды, при этом, не двигая ёмкость с места, монета появилась и увеличилась в размере. Вывод: из-за прохождения луча из более плотного в менее плотную среду стало видно монету, что доказывает закон преломления.
Опыт с вилкой. Оборудование: прозрачная ёмкость с водой, вилка.
В ёмкость с водой я наклонно опустил вилку, заметил, что она оказалась переломленной на границе между водой и воздухом. Это произошло из-за того, что лучи света, идущие от вилки, имеют в воде другое направление, в отличие от воздуха, соответственно, преломляются. Вывод: Различные прозрачные вещества преломляют световые лучи.
Опыт со стрелками. Оборудование: прозрачная ёмкость с водой, бумага, фломастер.
На листе бумаги я начертил стрелку. Как только я приложил этот лист к ёмкости с водой, то заметил, что стрелка поменяла своё направление на противоположное. Это объясняется тем, что свету приходится проходить несколько препятствий: стекло, воду и снова стекло. Вывод: каждый раз лучу приходится преломляться при переходе из одной среды в другую, что создаёт оптическую иллюзию.
Опыт 5. Отражение света (Приложение 7). Оборудование: ёмкость с водой, канцелярский нож и лазер.
В ёмкости, наполненной водой я сделал отверстие, из которого полилась вода. Посветил лазером и заметил, что вода окрасилась в красный цвет. Красный световой луч буквально застрял в струе воды, не смог выбраться и искривился вместе с потоком воды. Вывод: лазерный луч проходит по струе воды и отражается по ее внутренней поверхности.
Опыт 6. Независимое распространение лучей (Приложение 8). Оборудование: две лазерные указки и короб.
Одновременно я посветил лазерами так, чтобы лучи пересекли друг друга, но, как оказалось, это не повлияло на световые пучки. Оба лазера я увидел на стенке короба.
Вывод: световые лучи распространяются независимо друг от друга.
2.3. Моделирование. Оптическая иллюзия «Призрак Пеппера»
После знакомства с оптической иллюзией «призрак Пеппера», мне захотелось повторить его в домашних условиях (Приложение 9). Я взял две коробки, вырезал необходимые отверстия, выкрасил коробки изнутри в черный цвет и склеил их. В одну из коробок я поместил фонарик и фигурку панды, которую приклеил на кусок пластилина. В другую коробку установил прозрачный пластик (из-под CD-диска) под углом 45°. После этого я украсил свою модель с помощью голографической самоклеящейся бумаги. Я понял, что, если в отверстие коробки справа сверху направить свет от фонарика, то «призрак панды» отразится через поставленный под углом 45° пластик внутрь левой коробки, где можно увидеть изображение.
Вывод: Оптическую иллюзию «Призрак Пеппера» можно объяснить законами отражения и преломления световых лучей.
2.4. Моделирование. Голографическая пирамида
Голографическая 3D-пирамида представляет собой проекционную поверхность, на которую проецируется созданное по специальной раскладке видео или изображение. Мне захотелось увидеть своими глазами эту оптическую иллюзию. В готовом наборе эта пирамида была уже готова, но мне показались ее размеры недостаточными, поэтому я решил увеличить пирамиду самостоятельно в домашних условиях (Приложение 10). Для этого мне понадобились: трафарет изделия, четыре пластиковые упаковки от CD-дисков, канцелярский нож, скотч, линейка, маркер. Я вырезал трафарет из бумаги размером 12х7х2. Обвёл на упаковках и вырезал 4 одинаковых трапеции, склеил их между собой с помощью скотча. При наложении пирамиды на экран телефона я получил эффект объемности объектов, которые нашел в сети Интернет. Полученная голограмма представляет собой отображение четырех плоских изображений одного объекта, которые были созданы с четырёх разных сторон. То есть, четыре изображения попадают в одну точку голографической пирамиды, отражаясь, воспринимаются человеческим зрением как одно объёмное изображение.
Вывод: Голограмма - это четыре части видео, которые отражаются в гранях
призмы, сливаясь в объемное изображение в центре. Свет исходит с экрана телефона, падает на грани. Световые лучи частично преломляются, частично отражаются. В центре возникает мнимое изображение, как будто оно находится внутри. Мы видим реальный объект, который является объемной картинкой. Его можно обойти и рассмотреть со всех сторон.
3.3 Создание буклета
Я подумал, интересно бы было, чтобы учащиеся начальной школы могли рассмотреть планеты Солнечной системы в формате 3Д-голограммы. Мы с учителем решили оставить буклет с некоторой информацией и интересными фактами о планетах Солнечной системы. Около каждой планеты я поместил QR-коды со ссылками на свой YouTube – канал, на котором размещены видео для просмотра голограмм. Буклеты мы раздали в классы начальной школы. (Приложение 11).
3.4. Выступление перед учащимися начальной школы
Так как 89% учащихся, которые отвечали на вопросы анкеты, пожелали создавать оптические иллюзии, я вышел в классы и поделился своей работой со школьниками. Ребятам было очень интересно: они задавали мне вопросы и многие захотели создать свои оптические иллюзии (Приложение 12).
Заключение
Подробно изучив и проанализировав литературу, узнал много нового и интересного про оптические иллюзии, познакомился с основными законами геометрической оптики и смог опытным путём их доказать.
Перед собой я ставил цель изучения оптических иллюзий и объяснение принципа их работы на основе основных законов геометрической оптики и считаю, что достиг её. Я провёл анкетирование учащихся начальной школы и проанализировал результаты. Смоделировал голографическую пирамиду. Путем экспериментов объяснил основные законы геометрической оптики. Я был в роли настоящего исследователя. Создал буклет с планетами Солнечной системы с QR-кодами – ссылками на голограммы планет и поделился своими знаниями с ребятами. Тем самым, удовлетворил свой познавательный интерес, а также заинтересовал ребят начальной школы.
Список литературы
-
Аксенова М.Д., Измайлова С. Б. Энциклопедия для детей. Том Биология. [Текст] / Аксенова Мария Дмитриевна, Измайлова Светлана Борисовна - Москва, «Аванта+» 2008 – 155 с.
-
Грамматин А. П. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА // Большая российская энциклопедия. Том 6. Москва, 2006, стр. 618-619
-
Зверева С.В.: В мире солнечного света. [Текст] / - Зверева Софья Васильевна - Л.: Гидрометеоиз – 1988 г. – с. 65
-
Интернет – ресурс: http://ru.wikipedia.org
-
Петракова, Д. А. Оптические иллюзии и их применение в жизни человека / Д. А. Петракова, И. Б. Насонова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2023. — № 1 (64). — С. 39-44.
-
Цинн, У.Д. Зрение, очки и контактные линзы : Полн. рук. для очкариков : [Пер. с англ.] / У. Цинн, Г. Соломон. - СПб. : Питер : Питер-пресс, 1996. - 432 с.
-
https://ru.ruwiki.ru/wiki/Призрак_Пеппера - интернет - ресурс
Приложение 1
«Колтуновский фестиваль наук – 2024». День физики и высоких технологий
Приложение 2
Оптическая иллюзия «Призрак Пеппера»
Приложение 3
Анкета для учащихся начальной школы
Подпишите свой класс. Поставьте цифру 1 и ответьте «да/нет» на первый вопрос:
1. Могут ли глаза нас обманывать?
Поставьте цифру 2 и выберите верный вариант ответа на второй вопрос:
2. Что такое оптическая иллюзия?
А) это игра световых лучей
Б) это обман органов чувств и мозга
В) это перевёрнутое изображение предметов
Поставьте цифру 3 и выберите верные варианты ответа на третий вопрос:
3. Что является причиной оптических иллюзий?
А) обман мозга и особенности восприятия зрения
Б) законы физики
В) все вышеперечисленное
Г) особенности нервной системы
Д) заболевания (нарушение) органов зрения
Е) не знаю, хочу узнать
Поставьте цифру 4 и ответьте «да/нет» на четвёртый вопрос:
4. Хотел бы ты создавать оптические иллюзии самостоятельно?
Спасибо!
Приложение 4
Анкетирование учащихся начальной школы
Приложение 5
Опыт 1. Прямолинейное распространение света
Приложение 6
Опыты 2-4. Преломление света
Рис. 1 – 3. Опыт с монетой.
Рис. 4 - 6. Опыт с вилкой.
Рис. Опыт со стрелками.
Приложение 7
Опыт 5. Отражение света
Приложение 8
Опыт 6. Независимое распространение лучей
Приложение 9
Моделирование. Оптическая иллюзия «Призрак Пеппера»
Приложение 10
Моделирование. Голографическая пирамида
Приложение 11
Создание буклета
Приложение 12
Выступление перед учащимися начальной школы