Исследование оптических иллюзий и эксперименты по прохождению света через границу сред с различной оптической плотностью
проект по физике (11 класс) на тему

ХХХХI городская научно-практическая конференция НОУ

 «Исследование оптических иллюзий и 
эксперименты по прохождению света через границу сред с различной оптической плотностью»

Секция  Физика

втор: Агаркова Анастасия

Челябинская область, г.Златоуст, МАОУ СОШ№9 11 «А»класс

Научный руководитель:

Хрущева А.Р.,

учитель физики МАОУ СОШ№9

г. Златоуст, 2017г.

Содержание

Введение………………..………………………………...…………………….……….............3

Глава 1.Искусственные иллюзии…...………….……..…………………………......………..5

1.1.Фотографии с оптическими иллюзиями……………..………………….……………….6

1.2. Полное внутреннее отражение…………………………………………...………………6

Глава 2. Природные иллюзии ………………….………..……………………...….…………7

2.1.Миражи ………..………………………………………...……….……….………………...8

2.2.Объяснение возникновения миражей………………………..….………....……………..8

2.3.Миражи в стакане с водой …………………………………..…..………....………….......9

2.4.Миражи в плоском стеклянной кювете с водой……………………...…….…………...10

2.5.Объяснение наблюдаемых явлений………………………………....……….….……….11

2.6.Искривление светового луча в оптической неоднородной среде……….…….……....11

Заключение……………………………….………………………….…………………..…….13

Список литературы……………………………………………………………………....……14

Приложение…………………………………………….………………….……………......…15

Введение

С давних пор люди не только поражаются обманам зрения и забавляются зрительными иллюзиями. Уже тысячи лет зрительные иллюзии целенаправленно используются в архитектуре для создания определенных пространственных впечатлений, например, для кажущегося увеличения высоты и площади залов. Зрительные иллюзии стали основой кинематографии и телевидения, учитываются в полиграфии и в военном деле. Создаваемая при помощи технических средств виртуальная зрительная реальность занимает в жизни современного человека огромное место и тесно переплетается с действительностью.

Многим людям нравятся забавные картинки, обманывающие их визуальное восприятие. Но знаете ли вы, что природа также умеет создавать оптические иллюзии? Причём, выглядят они на порядок более внушительно, чем сделанные человеком. К ним можно отнести десятки природных явлений и формаций, как редких, так и достаточно распространённых.

Чем глубже человеческий ум проникает в тайны природы, тем больше возникает новых вопросов. “Крепкие затворы природы” заставляют человека, подчас усомнится в самой возможности познавать все ее законы. Но по мере развития науки человек стал понимать действительные причины природных явлений. К сожалению, наш глаз не точный прибор в мире, поэтому и ему свойственно ошибаться. Эти ошибки называют оптическими иллюзиями. Попросту говоря – это неверное представление реальности.  Их известно очень большое количество, и все они не однотипны, как и причины, их возникновения. На оптические иллюзии на уроках физики отводится очень мало времени, хотя тема очень интересная, и, чтобы узнать больше об этой теме и донести это до одноклассников, я затронула эту тему[1].

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  присмотреться.

Но стоит ли доверять всему, что мы видим? Можно ли увидеть то, что никто не видел? Правда ли, что неподвижные предметы могут двигаться? Каково разнообразие оптических иллюзий? И как природа сталкивает людей с реальным оптическим феноменом? Мне очень хочется найти ответы на все поставленные вопросы, поэтому в своём исследовании я ставлю следующие цели:

Цель:

Изучить оптические явления, как природные, так и искусственные.

Проблемный вопрос: что лежит в основе оптических явлений – чудеса или наука?

Задачи:

1. Подобрать материал обо всех видах оптических иллюзий и причинах их возникновения.

2. Исследовать природу возникновения оптических явлений в атмосфере.

3. Получить оптические явления (миражи) в домашних условиях.

4. Систематизировать и проанализировать результаты исследования. 

Гипотезы:

- можно ли объяснить природные оптические явления с помощью науки – физики?

- могут ли происходить природные оптические явления только  при определённых условиях?

-можно ли получить некоторые природные и искусственные явления в домашних условиях?

Методы исследования.

Анализ, сравнение и сопоставление разных источников информации.

План исследования:

1. Изучить материал по интересующей меня проблеме

2. Исследовать искусственные оптические иллюзии

3. Исследовать природу возникновения оптических явлений в атмосфере.

4. Провести эксперимент по прохождению света через границу сред с различной оптической плотностью самостоятельно.

5. Проанализировать результаты исследования и сделать выводы.

Практическая значимость:

Работу можно использовать как дополнительный материал по физике, как материал для проведения тематического классного часа, на занятиях кружка, на конференциях разного уровня.

Структура работы соответствует содержанию, состоит из введения и трех глав.

Оптические иллюзии

Оптическая иллюзия - это впечатление о видимом предмете или явлении, несоответствующее действительности. В переводе с латыни слово "иллюзия" означает "ошибка, заблуждение". Это говорит о том, что иллюзии с давних времен объяснялись как некие сбои в работе зрительной системы. Изучением причин их возникновения занимались многие исследователи, начиная с 19 века. Некоторые зрительные обманы давно уже имеют научное объяснение, другие до сих пор не объяснены[3].

Оптическая иллюзия возникает тогда, когда то, что мы видим, не совпадает с тем, что есть на самом деле, - это и есть обман зрения.

Особенность оптических иллюзий состоит в том, что порою даже люди с идеальным зрением неспособны увидеть оптическое искажение, заметить обман.

Можно выделить 2 основные группы оптических иллюзий:

- Искусственная иллюзия - это не что иное,  как фокус, трюк, уловка. Он включает в себя и известные иллюзионные картинки, различные модели, и естественно этот “обман” создается человеком.

- Природные иллюзии. Они созданы самой матушкой природой, без участия человека.

Глава 1. Искусственные иллюзии

В научной и популярной литературе описаны многие сотни зрительных иллюзий. Причины некоторых из них давно установлены, а других — до конца не раскрыты до сих пор. Почему они возникают? 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.

1. Фотографии с оптическими иллюзиями

Фотографии с оптическими иллюзиями в последнее время все больше и больше приобретают свою популярность, создаются специальные выставки, так как эти фотографии больше относятся к искусству, нежели к научной  деятельности и я решила сама попробовать создать такие фотографии. (или опыт с пятикратным снимком из «Занимательной физики»)[5]

Одним из курьезов фотографического искусства являются снимки, на которых фотографируемый изображен в пяти различных поворотах. На рис. 1, сделанном по подобной фотографии, можно видеть эти пять положений. Число изображений зависит от угла между зеркалами: чем он меньше, тем число получающихся изображений больше. При угле 360°/4 = 90° мы получили бы четыре изображения, при угле 360°/6 = 60° – шесть изображений, при 360°/8 = 45° – восемь, и т. д. Однако при большом числе отражений изображения тусклы и слабы; поэтому обычно ограничиваются пятикратными снимками [5].

2. Полное внутреннее отражение

Имеем лист стекла в воздухе, если посветить ему в торец лазерной указкой под небольшим углом к плоскости поверхности, то ее свет, многократно отразившись, выйдет с другой стороны этого стекла – это работает явление полного внутреннего отражения. Это мы наблюдаем в приложении.  При условии, если мы возьмем стеклянный стержень – эффект получиться тот же. В данном случае свет ограничен не в одной, а уже в двух плоскостях, разумеется, если угол падения света не превышает угла полного внутреннего отражения (рис. 12а).

Если мы заменим стеклянный стержень прозрачной леской, то и в ней свет будет распространяться, но его уже можно будет «согнуть». Это будет происходить до тех пор, пока радиус изгиба достаточно велик. Когда радиус изгиба становится малым, свет будет выходить в этом месте из лески, поскольку угол падения света на поверхность лески будет больше угла полного внутреннего отражения. Заметьте, у лески нет зеркального покрытия, свет держится в ней сам. Примерно так и работают оптические световоды. Свет в них распространяется до тех пор, пока не нарушится закон полного внутреннего отражения и свет не выйдет из световедущей жилы. Оптическое волокно, по своей сути, та же леска в декоративном светильнике, но имеет более сложную структуру (рис. 12б).

В результате данного эксперимента я выяснила, что эффект полного внутреннего отражения возможен, когда у волокна есть светонесущая сердцевина с большим показателем преломления и оболочка с меньшим показателем преломления. [9].

Глава 2. Природные иллюзии

Многим людям нравятся забавные картинки, обманывающие их визуальное восприятие. Но знаете ли вы, что природа также умеет создавать оптические иллюзии? Причём, выглядят они на порядок более внушительно, чем сделанные человеком. К ним можно отнести десятки природных явлений и формаций, как редких, так и достаточно распространённых.

2.1. Миражи

2.2. Объяснение возникновения миражей

Когда мы говорим о чем-то неуловимом, нереальном, мы используем слово «мираж». Простейшие миражи видел любой из нас. Например, когда едешь по нагретой асфальтированной дороге, далеко впереди она выглядит как водная поверхность. И подобное уже давно никого не удивляет, ибо даже школьник знает, что мираж – не что иное, как атмосферное оптическое явление, благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которые при обычных условиях скрыты от наблюдения. Происходит это потому, что свет при прохождении через слои воздуха разной плотности преломляется[13].

Миражи связаны с преломлением света. Так что же такое преломление? Когда луч света, минуя одну прозрачную среду, проходит в другую, например, сквозь воздух в стекло, то его скорость меняется, а направление движения искривляется, т.е. свет движется не вниз, а вверх. Это явление называется преломлением, или рефракцией.

С явлениями рефракции мы часто сталкиваемся в жизни. Из-за преломления кажется, что ложка в стакане согнута на уровне воды, а купающемуся, бассейн кажется более мелким, чем он есть на самом деле.

Прямое моделирование миража первым предпринял выдающийся американский физик Роберт Вуд. Системой газовых горелок он нагрел длинный металлический лист, покрытый песком, и действительно увидел мираж, подобный тому, который наблюдается в пустынях и на раскалённом асфальте. Пионерские опыты Вуда воспроизводить в наши дни нет необходимости: использованная им экспериментальная установка сложна, громоздка и небезопасна[15].

Показатель преломления воды значительно больше, чем воздуха. Поэтому следует ожидать, что неравномерный нагрев воды позволит получить среду с большим градиентом показателя преломления, то есть с более высокой быстротой изменения показателя преломления от точки к точке среды. Проверим это.

2.3. Мираж в стакане с водой

Берем тонкостенный стакан цилиндрической формы. Стеклянные стенки стакана должны быть прозрачными, ровными и содержать как можно меньше дефектов. На электроплитку с закрытой спиралью поставьте отобранный стакан, наливаем в него прокипячённую или отстоявшуюся воду и включите плитку в сеть. Глядя сквозь стакан, мы увидим, что изображения предметов сильно сжаты в горизонтальном направлении и почти не искажены в вертикальном. Объясняется это, разумеется, тем, что стакан с водой представляет собой цилиндрическую линзу. По мере нагревания воды мы обнаруживаем непрерывно изменяющиеся небольшие искажения изображений предметов, наблюдаемых сквозь стакан. Однако, даже доведя воду до кипения, ничего подобного миражу увидеть вы не сможете. Значит, в стакане не удалось получить слоисто-неоднородную среду, которая необходима для появления миража. Причина в том, что температура воды в стакане на всех уровнях почти одна и та же. Бесспорно, мы уже догадались, что за это ответственна конвекция, благодаря которой нагреваемая снизу вода быстро перемешивается и приобретает примерно одинаковую температуру по всему объёму.

Опустим кипятильник в стакан с водой так, чтобы он находился в верхней части стакана. Включим его. Осторожно прикасаясь к стенке стакана, убедитесь, что вода вокруг кипятильника нагревается, а внизу остается холодной. Поскольку горячая вода имеет меньшую плотность, чем холодная, то конвекция не происходит. Нижние слои воды нагреваются только за счёт теплопроводности и диффузии. Оба эти процесса идут сравнительно медленно, в результате под кипятильником возникает неравномерно нагретый и, следовательно, оптически неоднородный слой воды. Это сразу обнаруживается наблюдением сквозь него удалённых предметов. Вода вокруг кипятильника быстро закипает. При бурном кипении слой воды под кипятильником интенсивно перемешивается возникающими течениями, что явно не способствует появлению миража. Как предотвратить это нежелательное явление? Надо поставить в стакан горизонтальную перегородку! Из дюраля или латуни вырезаем пластинку в форме круга. Полоски изогнем так, чтобы получились держатели, позволяющие расположить круглую перегородку на нужной глубине в стакане. Теперь по фотографии, представленной на рис. 3, соберем основную часть экспериментальной установки и приготовимся к первым наблюдениям миража.

В качестве объекта наблюдения используем небольшую настольную лампу. Стакан с водой и перегородкой ставим на подъёмный столик на расстоянии 1-2 м от объекта наблюдения. Встанем на расстоянии примерно 1 м от стакана, и смотрим сквозь него на объект (Рис 4 а,б).

На рис. 4а приведена фотография, показывающая, что именно должны наблюдать. Обратите внимание насильно сжатое по вертикали ещё одно изображение объекта – его появление обусловлено преломлением света на искривлённой стеклянной поверхности возле дна внизу стакана. Включим кипятильник и внимательно смотрим сквозь стакан. Когда вода начнёт закипать, кроме находящегося внизу стакана изображения предмета мы увидим, что под перегородкой сначала появляется незначительный блеск, а затем всё отчётливее становится видно второе изображение предмета(рис.4б).

Итак, мы убедились, что нагревая воду сверху, действительно можно получить мираж.

Лучше устранить искажения, вызванные цилиндрической формой оптически неоднородной среды в химическом стакане с водой. Этого можно достичь, если использовать склеенную из стекла плоскопараллельную кювету. Наливаем отстоявшуюся воду в кювету и погружаем в неё кипятильник (рис. 5).

2.4. Мираж в плоской стеклянной кювете с водой

Чтобы детально исследовать мираж, в качестве объекта наблюдения используем хорошо освещённый круг диаметром около 40 мм, расположенный на тёмном фоне. Глядя на белый круг через кювету с водой, включаем кипятильник. Вскоре мы замечаем появление миража возле горизонтальной перегородки. Постепенно вода закипает, появившийся мираж опускается вниз и отрывается от перегородки. Вслед за этим появляется второй мираж (рис. 6). При дальнейшем кипении воды в верхней части кюветы иногда можно наблюдать появление третьего миража. Далее он сливается со вторым, а первый мираж начинает сливаться с искажённым изображением предмета. По мере того, как вода прогревается в нижней части кюветы всё более равномерно, наблюдается постепенное слияние всех миражей с изображением предмета. Фотографии, приведённые на рис. 6, лишь отдалённо передают красоту этого оптического явления.

2.5. Объяснение наблюдаемых явлений

Представьте, что по холодной пустыне вдалеке уныло бредёт караван, а сверху в силу погодных аномалий появляется слой нагретого воздуха, температура которого постепенно повышается. Тогда вы сможете наблюдать явления, подобные приведённым на фотографиях (рис. 6). В этом опыте, фотографии которого приведены на рис. 6, мы видим, что вначале появляется перевёрнутый мираж, представляющий собой сильно сжатое по вертикали изображение объекта наблюдения. По мере того, как перевёрнутый мираж, опускаясь вниз, становится все более похожим на объект, выше него появляется прямой мираж. Почему так происходит?

Тепло от нагревателя распространяется сверху вниз. Поэтому наибольший перепад температур и соответственно максимальный градиент показателя преломления возникает на границе между горячей и холодной водой. Упрощённо можно считать, что выше этой границы расположена оптически менее плотная среда. Поэтому, если свет падает на границу раздела этих сред снизу из оптически более плотной среды, то наблюдается полное внутреннее отражение (рис. 8).

Из проведённых опытов следует несколько выводов. Мираж – это не иллюзия и не обман зрения. Мы действительно видим реально существующий предмет, но вследствие криволинейного распространения света не там, где он расположен и не таким, каков он есть на самом деле. При этом сам предмет может находиться вообще за пределами поля зрения.

2.6. Искривление светового луча в оптически неоднородной среде

В 0,5 литре прокипяченной воды растворила 350 г сахара. В кювету, на дне которой лежит зеркало, сначала заливают раствор поваренной соли. Затем медленно и осторожно, по лезвию ножа тоненькой струйкой наливают поверх солевого раствора воду. Если сделать это осторожно и без спешки, то граница раздела будет четкой, а смешивание жидкостей минимальным.

Дальше установите лазер напротив кюветы и направьте световой пучок на боковую стенку кюветы так, чтобы он падал ниже границы раздела жидкостей. В этом случае в темноте вы увидите красивый красный пучок света, испытывающий полное отражение на границе раздела жидкостей и от зеркала, если падает под углом большим предельного (рис. 9).

Если же растворить в 0,5 литре прокипяченной воды 350 г поваренной соли и залить его в кювету вместо сахара, при этом направить световой пучок на боковую стенку кюветы так, чтобы он падал ниже границы раздела жидкостей, то и в этом случае в темноте вы увидите красивый красный пучок света, испытывающий полное отражение на границе раздела жидкостей и от зеркала, если падает под углом большим предельного (рис. 10).

Если же положить плоский предмет в точке отражения луча от зеркала, как вариант можно использовать монетку, то при хорошем освещении можно наблюдать мираж в виде монетки стоящей перпендикулярно дну. Этот мираж относится к миражам первого класса, т.е. нижним или «озерным» миражам.

Попробуем дать качественное объяснение явлению. В нижней части кюветы находится раствор поваренной соли (сахара), имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Поэтому показатель преломления жидкости в образовавшемся за счет диффузии переходном слое между раствором соли (сахара) и водой непрерывно изменяется вдоль вертикальной оси у (Рис. 10.), плавно уменьшаясь с ростом значений у.

Поскольку абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе:

п = c/v,

скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних

Если на кювету перпендикулярно оси у падает параллельный пучок света от источника S, лежащего в бесконечности, то плоская волновая поверхность Es внутри жидкости будет поворачиваться, последовательно занимая положения Es' , Es" и т. д., так как вверху кюветы свет распространяется быстрее, чем внизу, а световые лучи всегда перпендикулярны волновым поверхностям. Поэтому вместе с поворотом волновой поверхности произойдет и поворот лучей, так что образованный ими световой пучок изогнется в сторону от меньших к большим значениям показателя преломления жидкости. Чем резче изменения показателя преломления вдоль оси у, тем больше и изгиб светового пучка: когда показатель преломления меняется скачком, наблюдается обычное или полное внутреннее отражение света, и изгиб пучка выражен наиболее сильно.

Заключение

По результатам исследования я сделала вывод: в основе природных оптических явлений лежит наука – физика. Законы физики – преломление и отражение лучей создают иллюзии. Особенности строения глаза позволяют их видеть. Практически в основе всех иллюзий лежат обычные природные явления.

Из проведённых опытов следует несколько выводов. Мираж – это не иллюзия и не обман зрения. Мы действительно видим реально существующий предмет, но вследствие криволинейного распространения света не там, где он расположен и не таким, каков он есть на самом деле. При этом сам предмет может находиться вообще за пределами поля зрения.

Полученные в процессе исследования знания и накопленные факты позволили мне научиться создавать оптические иллюзии и управлять ими. Таким образом, мои гипотезы подтвердились.

На сегодняшний день в изучении иллюзий осталось еще немало тайн, которые ждут своих открытий.  В дальнейшем я планирую рассмотреть зависимость возникновения миражей: от радиуса кривизны искривленного светового луча.

Список литературы

1. Белкин И.К. Что такое радуга? - “Квант” 1984, №12
2. Булат В.Л. “Оптические явления в природе”, М.: Просвещение, - 1974
3. Зверева В.Л. “Солнечный свет в атмосфере”, М., - 1988
4. Тарасов Л.В. “Физика в природе”, М.: Просвещение, - 1988
5. Оптические иллюзии Дональда Раста (Donald Rust)
6. Еженедельное приложение «Физика» к газете «Первое сентября» №28, 1997.
7. Еженедельное приложение «Физика» к газете «Первое сентября» №37, 2000.
8. Перельман Я.И. “Занимательная физика”
9. Мезенцев В. А. Энциклопедия чудес. Кн. 1. Необычное в обычном. – 2-е изд. - М., Знание, 1988. – 30 - 41 с.
10. Тарасов Л. В. Физика в природе: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1988. – 33 с.
11. http://www.mignews.com.ua/science/world/miraj_0815.html
12. http://jtdigest.narod.ru/dig2_01/mirage1.htm
13. Мираж // Тарасов Л. В. Физика в природе. – М., 1988. – 33 – 44с.
14. Принцип Ферма и законы геометрической оптики.// Квант, №11, 1970.
15. Вуд. Р. Искусственные миражи.// Квант, №10, 1971.
16. http://copyabitu.narod.ru/inform/Wc8b9a66fd49aa.htm
17. Тайна «Летучего Голландца»: Миражи // Юный натуралист, №11, 2005.
18. Булат В. Л. Оптические явления в природе. – М.: Просвещение, 1974.

Приложение

Рис. 1. Пятикратная фотография одного и того же лица.

Рис. 2. Способ получения пятикратных фотографий. Снимаемый помещается между зеркалами СС.

Рис. 3. Экспериментальная установка для наблюдения миража в стакане с водой

Рис. 4. Мираж в стакане с водой: а –кипятильник выключен, б – кипятильник включён и вода кипит воду в стакане возле его дна.

Рис. 5. Более удобная экспериментальная установка для исследования миража

Рис. 6. Мираж в неравномерно нагретой жидкости:

 а – кипятильник выключен,

б, в, г – кипятильник нагревается и вода над перегородкой постепенно закипает;

д, е, ж, з – кипятильник включён, вода над перегородкой бурно кипит

Рис. 7. Получение миража предмета неправильной формы:

а – среда оптически однородна;

б – при включении кипятильника слева от него сверху от перегородки появляется прямой мираж, который вскоре исчезает;

в, г – формирование перевёрнутого миража;

д_з – появление и исчезновение прямого миража

Рис. 8. К объяснению возникновения прямого и перевёрнутого миражей

Свет от этой границы отражается, как от обычного плоского зеркала, в результате возникает мнимое перевёрнутое изображение A B′ ′ предмета АВ. Не следует только забывать, что резкой границы все же нет, поэтому, хотя свет и отражается от оптически неоднородной среды, но не скачком, а плавно, распространяясь криволинейно (лучи 3 и 4). Пока граница между горячей и холодной водой не дошла до лучей 1 и 2, идущих от предмета непосредственно в глаз, наблюдается неискажённое изображение предмета в том месте, где он и расположен. При продолжающейся работе кипятильника граница между горячей и холодной водой опускается всё ниже. Поверх неё вплоть до перегородки оказывается расположенным относительно толстый слой воды, температура которого растёт снизу вверх сравнительно медленно. Градиент показателя преломления в этом слое существенно меньше, поэтому световые лучи искривляются слабее. Важно, что луч 6, идущий выше, искривляется меньше, чем луч 5, идущий в этом слое ниже. Поэтому лучи, вышедшие из различных точек предмета, на пути в глаз не пересекаются и, следовательно, дают прямое мнимое изображение A′′B′′ предмета АВ (рис. 8).

Рис. 9. Распространение света в оптически неоднородной среде: в кювете вверху находится вода, внизу — насыщенный раствор сахара.

Рис. 10. Распространение света в оптически неоднородной среде: в кювете вверху находится вода, внизу — насыщенный раствор поваренной соли.

Рис.11. Криволинейное распространение света в оптически неоднородной среде.

А)                                                                                           Б)

Рис. 12 Полное внутренне отражение.