Цели: формирование понятия “иллюзия”, систематизация иллюзий, выяснение причин их появления, наблюдение иллюзий.
Оборудование: на столы учащихся кладут рисунки (см. приложения 1, 2, 3, 5). На столе учителя – закрытый черный ящик, в который помещен плоский предмет в натуральную величину; два теневых осветителя со светофильтрами (красный, зеленый); линейка, укрепленная вертикально.
При подготовке к уроку ученики получают задание подготовить иллюстрацию своей иллюзии и ее объяснение.
Оптические обманы - не случайные спутники нашего зрения: они сопровождают его при строго определенных условиях, с неизменным постоянством закономерного явления и имеют силу для каждого нормального человеческого глаза. То, что человеку свойственно при известных обстоятельствах поддаваться иллюзиям зрения, обманываться относительно источника своих зрительных впечатлений, не следует вовсе рассматривать как всегда нежелательный недостаток, безусловный порок нашей организации, устранение которого было бы для нас во всех отношениях благотворно.
Что касается причин, обусловливающих ту или иную иллюзию зрения, то только для весьма немногих оптических обманов существует твердо установленное, бесспорное объяснение; к ним принадлежат те, которые обусловлены строением глаза: иррадиация, иллюзия Мариотта (слепое пятно), иллюзии, продолжаемые астигматизмом, и т. п.
Недостоверный, необязательный характер носит большинство попыток найти объяснение отдельным иллюзиям зрения. Для некоторых оптических обманов не предложено до сих пор никакого объяснения. Для иных, наоборот, имеется слишком много объяснений, из которых каждое в отдельности было бы, пожалуй, достаточно, если бы не существовало ряда других, ослабляющих его убедительность. Вспомним знаменитую, обсуждаемую уже со времени Птолемея иллюзию увеличения светил у горизонта: для нее предложено, кажется, не менее шести удачных теорий, каждая из которых страдает лишь тем недостатком, что имеется еще пять столь же хороших объяснений... Очевидно, почти вся область оптических обманов находится еще на донаучной стадии своей разработки и нуждается в установлении основных методических принципов ее исследования.
Понятие оптической иллюзии
Оптической иллюзией называется несоответствующее действительности представление видимого явления или предмета вследствие особенностей строения нашего зрительного аппарата. Попросту говоря - это неверное представление реальности. (Важно отметить, что здесь не имеются в виду несоответствия, которые связаны с индивидуальными нарушениями зрения, например, с дальтонизмом.)
Почему возникают оптические иллюзии? Зрительный аппарат человека - сложно устроенная система со вполне определенным пределом функциональных возможностей. В нее входят: глаза, нервные клетки, по которым сигнал передается от глаза к мозгу, и часть мозга, отвечающая за зрительное восприятие. В связи с этим выделяются три основные причины иллюзии:
1) наши глаза так воспринимают идущий от предмета свет, что в мозг приходит ошибочная информация;
2) при нарушении передачи информационных сигналов по нервам происходят сбои, что опять же приводит к ошибочному восприятию;
3) мозг не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз.
Часто оптические иллюзии возникают сразу по двум причинам: являются результатом специфической работы глаза и ошибочного преобразования сигнала мозгом.
По происхождению оптические иллюзии делятся на три вида:
- естественные, или созданные природой (например, мираж);
- искусственные, или придуманные человеком (например, фокус “левитация” или, как говорят в народе, “летающая дама”;
- смешанные, то есть естественные иллюзии, воссозданные человеком (например, известные иллюзионные картинки, модель миража). [5]
Между естественными и искусственными иллюзиями есть существенное различие. Если иллюзия придумана человеком, то она обязательно имеет конструктивный секрет и после сообщения его наблюдателю во многом теряет свою загадочность. Естественные же и смешанные иллюзии не изменяют силы своего воздействия, независимо от того, знает наблюдатель их секрет или нет.
Нужно отметить, что оптические иллюзии рождаются не обязательно в результате игры света и тени. Так, в основе уже упомянутой иллюзии «летающая дама» лежит хитроумная механическая конструкция. [6]
Демонстрация и объяснение основных иллюзий.
Естественные иллюзии.
Иррадиация
Рассмотрим одну из самых распространенных иллюзий (Приложение 1). При рассматривании издали белые фигуры внизу — круг и квадрат — кажутся крупнее черных, хотя те и другие равны. Чем больше расстояние, тем иллюзия сильнее. Явление это называется иррадиацией.
Иррадиация обусловлена тем, что каждая светлая точка предмета дает на сетчатке нашего глаза не точку, а маленький кружок (вследствие так называемой сферической аберрации); поэтому светлая поверхность окаймляется на сетчатке светлой полоской, увеличивающей занимаемое ею место. Черные же поверхности дают изображения, уменьшенные за счет светлой каймы окружающего фона. [4]
Чтобы подтвердить наличие иррадиации у всех без исключения людей провели эксперимент. Бригаде рабочих поручили переносить коробки одинаковых размеров и формы. Половина коробок была выкрашена в белый, а другая половина в черный цвета. Рабочие в начале перенесли черные коробки. Объяснили же они это тем, что черные коробки кажутся меньше белых. [2]
Чтобы ещё раз убедиться в естественном происхождении явления иррадиации я провел опрос среди старшеклассников нашей школы. Все без исключения говорили, что черный квадрат (Приложение 1) меньше белого.
Слепое пятно
Естественные иллюзии появляются из-за особенностей в строении нашего зрительного аппарата. На поверхности сетчатки, у основания зрительного нерва, есть участок лишенный чувствительных к свету клеток. Лучи, приходящие в эту зону, не воспринимаются нами. Мы можем «терять» элементы окружающей нас картинки, если они совпадают со слепым пятном. [6]
Чтобы подтвердить это явление проведем ряд экспериментов.
1. Рассматривая левым глазом крестик (Приложение 2, рис.1) в правой части фигуры, мы на некотором расстоянии не увидим вовсе черного кружочка, хотя будем различать обе окружности. Круг совпал со слепым пятном. [4]
2. Закрыв правый глаз, смотрите левым на верхний крестик (Приложение 2, рис.2), с расстояния 20 - 25 сантиметров. Вы заметите, что средний большой белый кружок исчезает совершенно, хотя оба меньших кружка по бокам его хорошо видны. Если, не меняя положения рисунка, смотреть на нижний крестик, кружок исчезает только отчасти. Этот опыт носит имя своего создателя – Мариотта. [3]
Исчезновение элементов в этих опытах обусловлено тем, что при указанном положении глаза относительно фигуры изображение кружка попадает на так называемое слепое пятно - место входа зрительного нерва, нечувствительное к световым раздражениям.
Астигматизм
Смотрите на надпись (Приложение 3, рис.1) одним глазом. Все ли буквы кажутся одинаково черными? Обычно одна из букв представляется более черной, нежели остальные. Но стоит повернуть надпись на 45 или 90°, чтобы казалась чернее уже другая буква. [4]
Явление это обусловлено так называемым астигматизмом, то есть неодинаковой выпуклостью роговой оболочки глаза в различных направлениях (вертикальном, горизонтальном). Редкий глаз вполне свободен от этого несовершенства. Приблизительно 10% всех людей страдают врожденным астигматизмом.
Рассмотрим ещё одну иллюзию, связанную с
астигматизмом. Эта фигура
(Приложение 3, рис.2) дает
другой способ обнаружить астигматизм глаза.
Приближая ее к исследуемому глазу (закрыв
другой), на некотором, довольно близком,
расстоянии, сосредоточив взгляд на белом
квадратике вверху, вы приблизительно через
полминуты заметите, что нижняя белая полоса
исчезнет (вследствие утомления сетчатки).
Иллюзия цвета
Проведем следующий опыт. При помощи двух осветителей будем освещать некоторое небольшое препятствие, например, вертикально поставленную линейку. Осветители ставятся на некотором расстоянии друг от друга (около 20 см) и на белом экране наблюдается тень от препятствия и две полутени (Приложение 4). В один осветитель вставим красный светофильтр, а в другой зеленый. Полутени соответственно окрасятся в те же цвета. После этого вытащим один из светофильтров, а полутень с его цветом останется. [7]
Это одна из самых эффектных естественных иллюзий. Природа возникновения цветного изображения в первой и во второй части опыта различна. В первом случае цветная тень является результатом того, что источник света «протяженный» и бихроматичный; во втором случае появление цветной полутени связанно с особенностями нашего восприятия, то есть видимость цвета – это иллюзия. [5]
Полного объяснения этому явлению пока не найдено. Известен лишь факт, что на восприятие влияет не только цвет, но и фон, который окружает рассматриваемый участок.
Для этой демонстрации можно использовать светофильтры любых цветов. Но наилучший результат получается с красным и зеленым. Эти два цвета вызывают наибольшее раздражение, наш глаз наиболее чувствителен к ним. Именно по этому их используют в светофорах. (При проведении опыта кабинет затемнять нежелательно. Опыт получается эффектно при дневном, рассеянном свете).
Опыт с приведением
Проведем ещё один опыт (Приложение 5). Когда вы смотрите на черное приведение, часть сетчатки, на которой формируется изображение, не получает ни одного светового луча. Однако окружающая часть сетчатки работает на полную мощность, посылая в мозг сигналы о ярком белом фоне вокруг приведения. Когда вы смотрите на арку, то область сетчатки, где сформировалось изображение фона, уже устала и не полностью реагирует на светлый фон под аркой, делая его темнее. Та область сетчатки, которая сформировала изображение приведения, практически не работала и не устала, так что при переводе взгляда под арку на этом месте образуется белая область по форме приведения. Поэтому вы видите белое изображение приведения под аркой. [3, 5].
Нарушение цветового восприятия
Проанализировав опубликованные отчеты дорожных служб можно прийти к выводу, что большинство аварий происходит на перекрестках. В сумерки количество происшествий резко возрастает.
На любом перекрестке есть светофор. В вечерние часы из-за понижения освещенности происходит перераспределение основной нагрузки с колбочек (цвет) на палочки (свет), так как они более чувствительны. Пик аварий приходится как раз на то время, когда одни из чувствительных клеток не включились, а другие уже не работают.
Не редко происходят ночные аварии. Водитель, который едет по трассе, внезапно увидев огни светофора из-за “ передозировки” информации может принять его за обычный фонарь (увидит огни белым). Поэтому для светофоров подбирают специальный режим задержки, чтобы глаза успели привыкнуть к цвету (Типичный светофор для городского участка с плотным движением дает зеленый свет в течение 50 секунд, желтый – 5 секунд и красный – 25 секунд).
Если долго смотреть на яркие источники зрительной информации, так же возникает цветовая иллюзия. Именно поэтому на картинах большинства художников солнце белого цвета. Особенности нашего зрения таковы ( в сетчатке глаза есть три типа цветочувствительных клеток – колбочек; максимум чувствительности одних приходится на синий цвет, других – на зеленый, третьих – на красный; в зависимости от уровня раздражения каждого типа колбочек мы воспринимаем тот или иной цвет), что если порог насыщения всех цветовых каналов пройден, то они как бы перестают работать, и для восприятия остается только белый цвет. У заходящего южного солнца интенсивность даже рассеянных компонентов велика и ее достаточно, чтобы “ перекрасить” в нашем восприятии светило в белый цвет.
Искусственные иллюзии
Настоящее или нет
Опыт повторяет известную цирковую иллюзию с разрезанием человека. При этом на месте человека может оказаться любой предмет (Приложение 6).
Суть опыта заключается в том, что с расстояния в 1м нельзя отличить подмену настоящего предмета его изображением, если оно выполнено на матовой бумаге в натуральную величину и помещено в небольшой черный ящик.
Подмена возможна потому, что черный ящик при наблюдении не дает включить механизм бинокулярного стереовидения, а следовательно, объемную картинку нельзя отличить от её плоской копии. [6]
Эта иллюзия является наиболее эффектной из искусственных иллюзий. К тому же её сложность позволяет поставить её в кабинете физики. Мы сделали изображение предмета – кисть руки, “ прокатив” собственную руку на ксероксе. Наиболее естественный цвет кисти получился, когда руку положили на белую ткань.
Заключение
90% информации приходит в наш мозг через глаза. Даже если человек живет без розовых очков, он не всегда сможет реально оценить увиденную ситуацию. Так устроен наш глаз. Зная особенности зрения, человек может анализировать получаемую картинку, понимать, когда глаза его обманывают, а когда изображение полностью реально.
Подобные знания могут существенно облегчить жизнь, избавив от неприятностей, связанных со зрительными обманами. Помогут лучше понимать некоторые природные явления, устройства некоторых предметов (светофор).
Не стоит забывать, что оптические иллюзии сопровождают нас в течение всей жизни. Поэтому знание основных их видов, причин и возможных последствий необходимо каждому человеку.
Литература
- А. Акбаев. Физика и живая природа. Ижевск: Удмуртский университет 1999.
- А. А. Вадимов, М.А. Тривас. Иллюзии зрения. М.: Наука, 1971.
- А. В. Луизов. Цвет и свет. Л.: Энергоатомиздат, 1989.
- Я. И. Перельман. Занимательная физика. Т.1,2. М.: Наука, 1883.
- Еженедельное приложение «Физика» к газете «Первое сентября» №37, 2000.
- Еженедельное приложение «Физика» к газете «Первое сентября» №28, 1997.
- Приложение «Физика для младших школьников» №6, 1999.
- “Физиология человека” – учебное пособие для студентов мед. институтов под ред. чл. – кор. АМН СССР Г. И. Косицкого, 1985 г.