Световая симфония обмана: феномен оптических иллюзий

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

Личный портфель

Световая симфония обмана: феномен оптических иллюзий

Устьянцев Н.Е. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №48" Копейского городского округа
Федорова И.А. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №48" Копейского городского округа
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Оптические иллюзии — это завораживающий мир, где восприятие и реальность пересекаются, создавая удивительные и порой невероятные образы. Среди них особое место занимают иллюзии, связанные со световыми лучами, которые играют ключевую роль в нашем зрительном восприятии. Эти иллюзии демонстрируют, как наш мозг интерпретирует свет и тень, углы и направления, формируя образы, которые могут полностью отличаться от физической реальности. Изучение оптических иллюзий световых лучей открывает дверь в понимание сложных процессов восприятия, а также показывает, как обманчиво и многослойно может быть наше зрительное восприятие окружающего мира.

Выбирая тему исследовательской работы, мы узнали много нового и интересного о геометрической оптике и оптических иллюзиях. Мы выдвинули гипотезу и предположили, что знание геометрической оптики может помочь лучше понять механизмы возникновения оптических иллюзий, создаваемых с помощью световых лучей. Следовательно, цель нашего исследования направлена на выявление взаимосвязи между основными принципами геометрической оптики и восприятием иллюзий.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

  1. Изучить виды оптических иллюзий;

  2. Узнать из учебника по физике какие существуют законы геометрической оптики;

  3. Провести на улицах анкетирование жителей г. Копейска;

  4. Практически проверить наши наблюдения, связанные со световыми лучами;

  5. Спроектировать и создать в домашних условиях голографическую пирамиду и модель «Призрака Пеппера»;

  6. На основании полученных данных определить возможности применения созданных оптических иллюзий;

  7. Сформулировать выводы;

  8. Подтвердить или опровергнуть гипотезу.

Объект исследования: законы геометрической оптики.

Предмет исследования: оптические иллюзии, создаваемые с помощью световых лучей.

В основу исследования положена гипотеза, чтознание геометрической оптики может помочь лучше понять механизмы возникновения оптических иллюзий, создаваемых с помощью световых лучей.

Для подтверждения гипотезы и решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

  1. Анализ литературы;

  2. Обобщение полученных данных;

3. Анкетирование;

4. Проведение экспериментов.

Практическая значимость: результаты проекта могут быть использованы на уроках технологии и окружающего мира в начальной школе и уроках физики в 5-7 классах.

Глава 1. Теоретическая часть

    1. Что такое оптические иллюзии?

Оптическая иллюзия — это зрительное восприятие, при котором наш мозг интерпретирует визуальную информацию так, что объекты выглядят иначе, чем они есть на самом деле. Это может проявляться в виде кажущихся движений, искажений форм, изменения цветов, размеров или расстояний [3].

Оптические иллюзии, также известные как зрительные обманы, представляют собой феномены восприятия, когда наблюдаемые нами изображения или объекты отличаются от их реальных физических характеристик. Это происходит из-за того, что наше зрение, являясь сложной системой, не всегда правильно интерпретирует информацию, поступающую от органов чувств. Это не просто забавные трюки, а важная область изучения, которая помогает понять, как мозг обрабатывает зрительную информацию и какие факторы влияют на наше восприятие реальности.

В основе оптических иллюзий лежат особенности строения нашего глаза и работы мозга. Свет, попадая на сетчатку глаза, создает изображение, которое затем передается в мозг. Мозг, в свою очередь, обрабатывает полученную информацию, используя уже имеющийся опыт, стереотипы и знания. Иногда, при такой интерпретации, возникают ошибки и искажения, приводящие к зрительным обманам [7].

1.2История изучения оптических иллюзий

Интерес к оптическим иллюзиям существует с древних времён. В Древней Греции философы и математики, такие как Платон и Евклид, пытались анализировать и объяснить эти удивительные феномены. Платон, в своих трудах, считал, что восприятие основывается на идеях и формах, которые влияют на то, как мы видим мир. Евклид, изучая геометрию и оптику, также проводил исследования, касающиеся света и восприятия.

Аристотель в своём произведении «О зрении» углубился в вопросы восприятия глубины, подчеркивая, как окружающие условия могут влиять на то, как мы воспринимаем изображения (Приложение 1, рис.1). Эти ранние исследования закладывают основу для дальнейших открытий и понимания оптики и иллюзий в более современную эпоху.

Исследование оптических иллюзий считается одной из важнейших тем в науке, и его корни уходят к работам великих умов прошлого, таких как Леонардо да Винчи и Рене Декарт. Леонардо да Винчи, известный художник и учёный, проводил различные эксперименты, изучая, как восприятие размеров объектов изменяется в зависимости от их расстояния до наблюдателя (Приложение 1, рис.2). Это привело к более глубокому пониманию перспективы в искусстве и научном познании.

Рене Декарт, в свою очередь, разработал теорию, которая объясняет взаимодействие света и линз глаз, что значительно способствовало развитию оптики (Приложение 1, рис.3). Его идеи стали основополагающими в исследовании природы света и восприятия. Эти ранние работы заложили основы для современных исследований оптических иллюзий, позволяя разгадать тайны человеческого восприятия.

XIX век оказался переломным в истории оптики и фотографии, что открыло новые горизонты для изучения оптических иллюзий. Эта эпоха заложила основу для многочисленных экспериментов и открытий, связанных с поведением света. Основным научным вкладом в это время стала теория дифракции света, разработанная французским физиком Огюстеном Френелем (Приложение 1, рис.4). Он объяснил механизмы, лежащие в основе возникновения различных иллюзий, тем самым углубив понимание процессов, происходящих с визуальным восприятием. Исследования в этой области продолжаются и наши дни - новые технологии, такие как компьютерная графика и нейронауки, позволяют делать все более сложные иллюзии. Эти достижения находят применение не только в науке, но и в искусстве, подчеркивая значимость оптических явлений для нашего восприятия мира [5].

1.3 Основные законы геометрической оптики

Оптические иллюзии удивляют нас своими необычными формами и играми с восприятием. Для их глубокого понимания необходимо изучение основ геометрической оптики, которая является важной частью физики [2]. Эта дисциплина исследует характеристики света, его свойства и взаимодействие с различными веществами. Геометрическая оптика рассматривает световые лучи как линии, по которым перемещается световая энергия, акцентируя внимание на распространении света в прозрачных средах. Важным являются закономерности формирования изображений и преломления света.

Ключевые законы геометрической оптики включают в себя [2]:

  • Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной среде распространяется по прямой линии, то есть световые лучи представляют собой прямые (Приложение 2, рис.5).

  • Закон преломления света: этот закон описывает изменение направления распространения света при его переходе из одной однородной среды в другую (Приложение 2, рис.6).

  • Закон отражения света: этот закон описывает изменение направления светового луча при его взаимодействии с отражающей, подобной зеркалу, поверхностью (Приложение 2, рис.7).

  • Закон независимости световых лучей: световые лучи распространяются независимо друг от друга, не оказывая взаимного влияния (Приложение 2, рис.8).

Иллюзии возникают, когда наше восприятие не соответствует реальным характеристикам объекта или явления. Оптические иллюзии – это распространенные феномены, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Они занимают важное место в нашей жизни и часто взаимодействуют с реальностью, формируя наше представление об окружающем мире [6].

Глава 2. Практическая часть

Исследование состояло из двух этапов:

    1. Анкетирование;

  2. Проведение ряда опытов и экспериментов по принципам оптических иллюзий, созданных с помощью световых лучей.

2.1 Анкетирование

Анкетирование проводилось среди жителей на улицах города Копейска Челябинской области. Было опрошено 25 человек (Приложение 3, рис.9)

Результаты анкетирования:

Диаграмма 1

    1. Могут ли глаза нас обманывать?

60 % опрошенных (15 человек) уверенны, что глаза не могут нас обманывать, 20% (5 человек) с уверенностью сказали, что не всегда можно верить своим глазам, 20% (5 человек) затруднились ответить.

Диаграмма 2

2. Хотите ли Вы узнать, что такое оптическая иллюзия?

78 % (20 человек) опрошенных хотели бы больше узнать и рассмотреть примеры, 18% (4 человека) хотели бы узнать, 4% (1 человек) не хотят познавать новое.

Диаграмма 3

  1. Знаете ли Вы что является причиной оптических иллюзий?

48 % (12 человек) опрошенных сказали, что предполагают, как работает принцип оптических иллюзий, 12% (3 человека) не знают, что является причиной, 40% (10 человек) затрудняются ответить на данный вопрос.

Диаграмма 4

  1. Хотели бы Вы больше узнать об оптических иллюзиях?

88 % (22 человека) опрошенных сказали, что хотят узнать больше, 4% (1 человек) не хотят знать, 8% (2 человека) затрудняются ответить.

Вывод: мнение жителей разделились. Большинство опрошенных людей слышали об оптических иллюзиях, но близко с этой темой не знакомы. Практически все опрошенные люди очень хотят узнать больше о принципах иллюзий.

2.2 Эксперименты по законам геометрической оптики

Чтобы разобраться, как работают оптические иллюзии, необходимо исследовать основные законы геометрической оптики с опорой на практические наблюдения и опыты [4].

    1. Закон прямолинейного распространения света гласит, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Опыт №1 Равномерная тень (Приложение 4, рис.10).

Необходимое оборудование: Маленький фонарик (имитирующий точечный источник света), пластиковый шарик, нитка, лист белой бумаги.

Ход эксперимента: Мы взяли пластиковый шарик и подвесили его за нитку. Затем направили луч света от фонарика на шарик. Мы наблюдаем равномерную тень, отбрасываемую шариком на поверхность листа бумаги.

Вывод: Этот опыт наглядно демонстрирует образование тени. Световые лучи, излучаемые фонариком как точечным источником, достигли края шарика, после чего продолжили свое распространение по прямым линиям, формируя область тени с обратной стороны. Если бы лучи света отклонялись от прямой линии, они бы могли попасть за шарик, осветив эту область.

Следовательно, полученные результаты подтверждают прямолинейность распространения света.

2.Закон преломления света гласит, чтопреломлённый луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точку падения.

Опыт № 2 Преломление световых лучей (Приложение 4, рис.11)

Необходимое оборудование: Прозрачный стакан, наполненный водой, вилка.

Ход эксперимента: Мы взяли пустой стакан и наклонно поместили туда вилку – ничего не произошло. Затем повторили процедуру, наполнив стакан водой на половину. Вилка была наклонно помещена в стакан с водой. При наблюдении было замечено, что вилка кажется «переломленной» в месте перехода из воды в воздух. Это явление обусловлено преломлением света. Лучи света, отражённые от вилки, распространяются в воде под другим углом, чем в воздухе. При переходе из одной среды в другую, их направление изменяется, что и вызывает иллюзию «перелома».

Вывод: Данный эксперимент демонстрирует, что прозрачные вещества с разной плотностью способны преломлять световые лучи, изменяя их направление распространения.

Опыт № 3 Создание оптической инверсии (Приложение 4, рис.12)

Необходимое оборудование: Прозрачная ёмкость, вода, лист бумаги, фломастер или маркер.

Ход эксперимента: на листе бумаги нарисовали стрелку и поместили рисунок за ёмкостью, заполненной водой. При наблюдении стрелка визуально изменила своё направление на обратное. Этот эффект вызван преломлением света при его прохождении через различные материалы - стекло, воду и воздух. Многократное преломление лучей приводит к формированию перевёрнутого изображения.

Вывод: Данный опыт демонстрирует, как преломление света при переходе через разные среды может формировать оптическую иллюзию с изменением направления объекта.

3.Закон отражения света, основывается на том, падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости, угол падения равен углу отражения.

Опыт № 4 Изучение закономерностей диффузного отражения(Приложение 4, рис.13)

Необходимое оборудование: зеркало, два карандаша/фломастера/палочки, лист бумаги, линейка.

Ход работы: для того чтобы понять, как работает отражение нужно начертить на листе бумаги прямую линию. К нашему листу перпендикулярно устанавливаем зеркало. В данном эксперименте мы используем два карандаша, чтобы проиллюстрировать явления падения и отражения света. Они размещаются на листе бумаги с обоих сторон от линии. Меняя положения карандашей, мы можем добиться того, что их концы и отражения в зеркале образуют прямую линию. Один карандаш представляет собой падающий световой луч, а другой — отражённый. Такой подход наглядно демонстрирует основные законы оптики и помогает лучше понять физику света. Таким образом, наглядно подчеркивается взаимосвязь углов наклона карандашей с перпендикулярной линией, что демонстрирует геометрические принципы восприятия и отражения.

Вывод: Данный опыт демонстрирует, что угол падения света всегда равен углу отражения. Изменение угла падения влечёт за собой соответствующее изменение угла отражения, о чем и говорится в законе отражения света.

4. Закон независимости световых лучей гласит, что если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.

Опыт №5 Демонстрация независимого распространения света (Приложение 4, рис.14)

Необходимое оборудование: Два лазерных указателя, коробка.

Ход работы: Мы взяли два лазерных указателя, опустили в короб и направили таким образом, чтобы их лучи пересекались в пространстве. Выключили свет, чтобы лучше увидеть лучи. При наблюдении за точкой пересечения и за лучами на стенке коробки было замечено, что лучи проходят друг через друга, не изменяя своего направления и не влияя на распространение друг друга. Этот опыт демонстрирует принцип независимости световых лучей. Лучи света, исходящие от лазерных указателей, распространяются независимо друг от друга и не взаимодействуют при пересечении.

Вывод: Световые лучи распространяются независимо, не влияя друг на друга.

2.3 Моделирование оптических иллюзий

1. Голографическая пирамида (Приложение 5, рис.15)

Цель: Самостоятельное создание голографической 3D-пирамиды для получения выраженного оптического эффекта.

Необходимые ресурсы: бумага белая, 1 мягкая пластиковая упаковка от игрушки или канцелярской точилки, режущий инструмент, клейкая лента, линейка, маркер.

Этапы изготовления: на белой бумаге мы начертили трапецию – это будет наш трафарет в форме трапеции. По трафарету мы вырезали четыре одинаковые пластиковые заготовки. Заготовки мы скрепили скотчем так, чтобы образовалась пирамида. На телефон скачали видео голограммы и поставили пирамиду на наш телефон. Размещенная на экране смартфона пирамида создавала эффект объёмного изображения при просмотре специального видео. Иллюзия объёма возникала за счёт того, что четыре плоских изображения объекта проецировались в одной точке и складывались в единый объёмный образ.

Вывод: Голографическая пирамида создает иллюзию объёма путём отражения световых лучей от граней пирамиды. Свет, исходящий от экрана телефона, отражается от граней и создает мнимое изображение в центре, которое воспринимается как объёмный объект.

2.Оптическаяиллюзия«ПризракПеппера» (Приложение 5, рис.16)

Иллюзия «Призрак Пеппера», популярная в театральных представлениях конца XVIII и XIX веков, представляла собой впечатляющий оптический трюк, создававший эффект присутствия призрачных фигур на сцене. Известный химик Д.Г. Пеппер в 1863 году разработал способ создания иллюзии в виде призрака, упростив известные ранее способы.

Принцип действия: Основой иллюзии «Призрак Пеппера» является использование законов оптики для создания «призрачного» изображения на сцене. Видимая зрителем часть сцены расположена таким образом, чтобы под углом 45° к нему находилось прозрачное стекло. При этом за стеклом находится скрытое помещение, которое не должно быть видно зрителю, что достигается продуманным рисунком пола. Скрытое помещение, обычно оформленное в чёрных тонах, освещается таким образом, что только отражающие свет объекты проецируются на стекло, создавая эффект «призрака» в видимой части сцены. Отражение от наклонённого стекла создаёт иллюзию трёхмерного, мерцающего призрачного изображения.

После изучения принципа действия «призрака Пеппера», я решил самостоятельно воссоздать эту иллюзию в упрощённом виде (Приложение 5, рис.17). Для этого я взял две коробки, одну побольше имитируя сцену, другую поменьше – помещение, где непосредственно располагается модель фигуры призрака. В коробках сделал окошки, чтобы видеть результат. Коробку с фигуркой заклеил черной бумагой. Сверху коробки с фигуркой установил фонарик, а в коробку фигурку медведя, приклеенного на клей к основанию коробки. В другую коробку я установил прозрачный пластиковый лист (поликарбонат листовой) нужных размеров под углом 45°. При включении фонарика и направление света на основную фигурку медведя, её отражение появлялось в другой коробке.

Вывод: Оптическая иллюзия «Призрак Пеппера» основана на законах отражения и преломления света. Иллюзия создаётся за счёт отражения световых лучей от объекта в скрытом помещении, которое преломляются прозрачным листом под углом, создавая тем самым мнимое изображение в видимой области.

Заключение

Данная работа дала нам возможность не только усвоить теоретические основы геометрической оптики и оптических иллюзий, но и увидеть их проявление в реальной жизни. Мы смогли убедиться, что физика — это не просто теория, а наука, имеющая практическое применение и позволяющая нам лучше понимать окружающий мир.

Проведенные эксперименты подтвердили теоретические положения геометрической оптики. Мы смогли рассмотреть углы отражения и преломления света, а также исследовать, как различные материалы влияют на параметры этих явлений. Практические задания способствовали глубокому пониманию законов оптики и их применению в реальной жизни.

Полученные знания и результаты экспериментов открывают двери для дальнейших исследований в области оптики. Изучение законов геометрической оптики обогатило наше понимание света и его поведения, доказав, что изучение даже простых явлений может привести к глубоким и значительным открытиям в различных областях науки и техники.

Список использованной литературы

  1. Андреев, А. А. Основы оптики: Учебное пособие. — СПб.: Издательство РГУТиС, 2008.

  2. Геттис Э.: Физика в школе/ Физика классическая и современная. Геометрическая оптика. - №47, 2004 г.

  3. Лупий, И. П. Оптические иллюзии: как они работают. — М.: МИР, 2010.

  4. Малков, В. А. Физика: Геометрическая оптика. — М.: ЛКИ, 2011.

  5. Петракова, Д. А. Оптические иллюзии и их применение в жизни человека / Д. А. Петракова, И. Б. Насонова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2023. — № 1 (64).

  6. Смирнов, Б. Н. Основы геометрической оптики. — М.: Наук. мир, 2007.

  7. https://m-focus.ru/opticheskaya-illyuziya-vidy-princip-raboty-i-primenenie/?ysclid=m5dw9cdvqd438680756

Приложение 1

Рис.1 Трактаты Аристотеля

Рис.2 Трактат «О живописи» Леонардо да Винчи

Рис.3 Французский ученый и философ Рене Декарт

Рис.4 Огюстен Френель - теория дифракции света

Приложение 2

Рис.5 Закон прямолинейного распространения света

Рис.6 Закон преломления света

Рис.7 Закон отражения света

Рис.8 Закон независимости световых лучей

Приложение 3

Рис.9 Анкетирование

Приложение 4

Рис. 10 Опыт №1 закон прямолинейного распространения света

Рис.11 Опыт № 2 закон преломления света (опыт с вилкой)

Рис.12Опыт № 3 по создание оптической инверсии


Рис.13Опыт №4Изучение закономерностей диффузного отражения

Рис. 14 Опыт № 5 Демонстрация независимого распространения света

Приложение 5



Рис.15 Голографическая пирамида

Рис. 16 Оптическаяиллюзия«ПризракПеппера»

Рис.17 Модель «призрак Пеппера» в домашних условиях

Приложение 6

Просмотров работы: 18