Кейс-урок «Оптичні ілюзії»

Кейс-урок «Оптичні ілюзії» Розділ: Науки, природа і людина Рівень (клас): 10 - 11 Тема: Природні явища Мета: Засвоїти взаємозв'язок фізичних, хімічних, біологічних і психологічних явищ на прикладі оптичних ілюзій Яка інформація мене тут чекає? • Чому оптичні ілюзії такі незвичайні? • Чому ми бачимо міражі? • Що таке фата-моргана? • Які фундаментальні і практичні знання мені знадобляться? • Чи можна знайти практичне застосування оптичним ілюзіям у сучасному світі? 3 розгортки з предметів, явищ та практик: Психологія, Фізика, Мистецтво. Вступ Оптичні ілюзії оточують людину скрізь. Саме тому варто вміти орієнтуватися в морі ілюзій. І основою для цього має стати критичне мислення, тому що бачиш одне, а насправді, там зовсім інше. Але якщо застосувати системний підхід та методи ефективного аналізу інформації, то вони допоможуть розібратися в причинах їх виникнення, особливостях та наслідках цих оптичних ілюзій. А от якщо ще увімкнути креативність, то можна вдало використати ілюзії в моді чи в мистецтві. Можливо, за рахунок творчого підходу та нестандартного, нелінійного мислення вдасться знайти їм застосування і в інших галузях життя! Саме цим компетенціям і навчає цей кейс-урок. Придивіться до ліній. Як ви вважаєте, вони паралельні? На перший погляд здається, що ні. Але лінії паралельні! Це оптична ілюзія, яка роздвоює наше мислення. Оптична ілюзія - це помилка в зоровому сприйнятті, викликана неточністю процесів неусвідомлюваної корекції зорового образу (місячна ілюзія, невірна оцінка довжини відрізків, величини кутів або кольору зображеного об'єкта, ілюзії руху, «ілюзія відсутності об'єкта» - банерна сліпота тощо), а також фізичними причинами (міраж, «зламана ложка» у склянці з водою, вогні святого Ельма). Щодня ми стикаємося з безліччю з них. Спробуємо розібратися в цьому «ілюзорному світі» і знайти пояснення хоча б частині з них. Психологія Отже, оптична ілюзія – помилка в сприйнятті зорового образу. Звідки ж вона виникає? З точки зору психології і фізіології, механізм наступний: спостерігач свідомо або мимоволі дає не відповідне дійсності пояснення картини, яку він спостерігає. Він бачить не те, що є насправді. Очі отримують деяку зорову інформацію, яка передається в мозок, що її обробляє. І лише після цього ми здатні позначати предмети. Ми «бачимо» нашим мозком і за його ж допомоги розрізняємо кольори. Саме цим пояснюються деякі «сенсації» в ЗМІ про спостереження на Марсі людської голови і т.п. У той самий час пояснення випадково створеної плями інколи використовується психологами для з'ясування властивостей інтелекту досліджуваного, в якого обман зору викликається навмисно (тести Роршаха). Психологією пояснюються, перш за все, штучні ілюзії. Розглянемо основні їх види. Ілюзії сприйняття кольору Хоча ми «бачимо» нашим мозком і за його ж допомогою розрізняємо кольори, очі виконують дуже важливу і незамінну функцію. Вони сприймають сім кольорів: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Одні рецептори сітківки подразнюються сутінковим світлом, інші – лише яскравим, з ними і пов'язаний кольоровий зір і сприйняття кольору. Як же око розрізняє кольори? Ось як це пояснює теорія кольорового зору: око містить три види нервових клітин, що реагують відповідно на червоний, зелений, синій кольори. Таким чином, якщо всі три види нервових клітин отримують однакове подразнення, ми бачимо білий колір. Якщо в око потрапляє в основному зелене світло, клітини, що відповідають за зелену частину спектру, збуджуються більше, ніж інші, і ми бачимо зелений. Коли предмет жовтий, стимулюються «зелені» і «червоні» клітини. Це пов'язано також з тим, що кожен колір в спектрі має свою довжину хвилі (у нм): Одна з ілюзій сприйняття кольору описана в 1995 р. професором Массачусетського технологічного інституту Едвардом Адельсоном («ілюзія тіні Адельсона»). Він звернув увагу на те, що сприйняття кольору суттєво залежить від фону, і однакові кольори на різному фоні сприймаються нами як різні, навіть якщо знаходяться близько і ми бачимо їх одночасно: Ілюзія Морон-Бур-Роса: у кожному прямокутнику права частина (у трикутнику) здається темнішою, ніж ліва, хоча насправді яскравість однакова: Контрастні ілюзії Ілюзія Еббінгауза: спробуйте дати відповідь, не підглядаючи «в підказку», яке коло більше? Правильна відповідь – вони однакові! Один і той самий предмет сприймається як більший серед маленьких фонових предметів і як менший - серед великих. Ілюзія Маха: плавний перехід кольору сприймається як смуги. На межі білого кольору бачимо ще білішу смугу, а на межі чорного - ще чорнішу. Причиною виникнення даної ілюзії є латеральне гальмування в сітківці: Викривлені ілюзії Лінії паралельні, хоча мозок сприймає зображення інакше, викривляючи його: Чергування висококонтрастних дрібних деталей створює ілюзію викривлення, хоча, насправді, зображення статичне: Сприйняття глибини Ілюзія сприйняття глибини — неадекватне відображення предмета, що сприймається, та його властивостей. На цей час найбільш вивченими є ілюзорні ефекти, які спостерігаються при зоровому сприйнятті двовимірних контурних зображень. Мозок несвідомо бачить малюнки тільки одноопуклі (одноввігнуті). Сприйняття залежить від напрямку зовнішнього (реального або такого, що мається на увазі) освітлення. Яскравий приклад – грати Герінга (ілюзія мерехтливих грат): Ілюзія сприйняття розміру Ілюзії часто призводять до абсолютно неправильних кількісних оцінок реальних геометричних величин. Виявляється, що можна помилитися на 25% і більше щодо розмірів предмета, якщо окомірні оцінки не перевірити лінійкою. Окомірні оцінки геометричних реальних величин залежать від характеру фону зображення. Це стосується довжин, площ, радіусів кривизни, кутів, форм тощо. Кімната Еймса - один з прикладів такої ілюзії. Кімната, вигадана Адельбертом Еймсом в 1946 році, є прикладом тривимірної оптичної ілюзії. Вона спроектована таким чином, що при погляді спереду здається звичайною, з перпендикулярними стінами та стелею. Насправді форма кімнати є трапецією, де далека стіна розташована під дуже гострим кутом до однієї стіни і, відповідно, під тупим кутом до іншої. Правий кут, таким чином, значно ближче до спостерігача, ніж лівий: За рахунок ілюзії, що підсилюється відповідно спотвореними шаховими клітинами на підлозі і стінах, людина, що стоїть у ближньому куті, виглядає велетнем порівняно з тією, що стоїть в далекому, хоча насправді вони однакового зросту. Коли людина переходить з кута в кут, спостерігачеві здається, що вона різко зростає чи, навпаки, зменшується. Перевертні Перевертень — вид оптичної ілюзії, у якій від напрямку погляду залежить характер сприйманого об'єкта: Ще одним варіантом оптичної ілюзії можна вважати дальтонізм. Простіше кажучи, він є хворобою, а нездатність розрізняти деякі кольори – її проявом. Але саме ця нездатність значно ускладнює водіння автомобіля, а також багато інших завдань, в яких колірна символіка важлива. Вирішувати їх стає складніше. Дальтонізм може бути як спадковою хворобою, яку можна пояснити з точки зору генетики, так і набутою. Причиною набутого дальтонізму стає руйнування сітківки. При цьому дальтонізм розвивається тільки на оці, де сітківка уражена. Варіантів дальтонізму може бути декілька, повна колірна сліпота зустрічається дуже рідко. В разі відсутності одного із зорових пігментів в сітківці ока, людина здатна розрізнити лише два основні кольори. Таких людей називають діхроматами. За відсутності пігменту, відповідального за розпізнавання червоного кольору, говорять про протанопічну діхромію, в разі відсутності зеленого пігменту — про дейтеранопічну діхромію, синього пігменту — про тританопічну діхромію. У разі, коли активність одного з пігментів всього лише знижена, говорять про аномальну трихроматію. Залежно від кольору, сприйняття якого ослаблене, такі стани називають протаномалією, дейтераномалією і тританомалією відповідно. Люди, які страждають такими видами розладу зору, сприймають кольори наступним чином: Рухомі ілюзії Одне і те саме анімаційне зображення може відтворювати обертовий рух за годинниковою стрілкою, проти годинникової стрілки або поперемінно (здійснювати коливальні рухи). Наочний приклад – балерина: в яку сторону вона крутиться? Коли ви дивитеся на силует балерини, що обертається, напрям обертання «додумує» наш мозок. У нього немає якихось чітких орієнтирів і точки відліку, тому одні люди бачать обертання за годинниковою стрілкою, інші — проти годинникової стрілки. Причому якщо простежити за обертанням деякий час, то в якийсь момент може здатися, що балерина почала обертатися в протилежну сторону. Це все витівки нашого мозку. Простіше це зрозуміти, якщо позначити червоною лінією ліву ногу і руку балерини, а синьою — праву руку і ногу: Майстром оптичної ілюзії був Мауріц Корнеліс Ешер, нідерландський художник-графік. Одна з його знаменитих творів-ілюзій – літографія «Водоспад»: Ця літографія надихає сучасних майстрів на створення «неймовірного водоспаду»: Фізика Багато оптичних ілюзій, природних і штучних, мають логічне пояснення з точки зору фізики. Ну що ж, приступимо до «сеансу викриття»! Міражі Міраж – оптичне атмосферне явище, пов'язане із заломленням потоків світла на межі між дуже різними по щільності і температурі шарами повітря. Для спостерігача таке явище полягає в тому, що разом з реально видимим віддаленим об'єктом (або ділянкою неба) також видно і його віддзеркалення в атмосфері. Міражі бувають декількох типів, залежно від напряму градієнта параметра, що запускає міраж: Фата-моргана Є складним оптичним явищем в атмосфері, що рідко зустрічається, складається з декількох форм міражів. При цьому віддалені об'єкти видно багато разів і з різноманітними спотвореннями: Вона виникає в тих випадках, коли в нижніх шарах атмосфери утворюється (зазвичай унаслідок різниці температур) декілька шарів повітря різної щільності, що чергуються, та здатних давати дзеркальні відбиття. В результаті такого віддзеркалення, а також заломлення сонячних променів, реально існуючі об'єкти дають на горизонті або над ним по декілька спотворених зображень. Такі зображення частково накладаються одне на одне і швидко міняються в часі, що і створює химерну картину фата-моргани. Вогні святого Ельма Їх у деякій мірі теж можна віднести до оптичних ілюзій. А ось природа цього явища електрична. Назву воно отримало від імені святого Ельма (Еразма) ─ заступника моряків в католицизмі. Морякам їх поява обіцяла надію на успіх, а під час небезпеки ─ на порятунок. Явище може виникати і на обшивці літака, що потрапив у хмару вулканічного попелу. Є різновидом коронного розряду: Полярне сяйво Неймовірно красиве і вражаюче атмосферне явище, що має цілий ряд «фізичних» пояснень: Чому виникає полярне сяйво? В іоносферу Землі з космосу потрапляють заряджені частинки (корпускули). Тут вони стикаються з частинками розріджених газів і змушують їх випромінювати світло. Полярне сяйво виникає на висоті 80-1000 км і триває від однієї години до однієї доби. Причому, чим вище активність Сонця, тим інтенсивнішим і довшим буде полярне сяйво на Землі. Зазвичай воно забарвлює небо, немов захід сонця, інколи виникає у вигляді спіралей або дуг. Ці кольорові «стрічки» мають ширину до 160 км і довжину приблизно 1500 км. Полярне сяйво має багато кольорів. Його колір залежить від того, з частками якого газу сталася взаємодія сонячного вітру, вірніше, в якому шарі атмосфери Землі сталося зіткнення. Якщо шар вище 150 км, то колір полярного сяйва буде червоним, 120-150 км - жовто-зеленим, а якщо нижче 120 км - фіолетово-синім. Найчастішим є блідо-зелене полярне сяйво: Не у всіх куточках світу можна побачити це унікальне явище, а лише поблизу магнітних полюсів. Це пояснюється тим, що геомагнітне поле Землі відхиляє велику частину потоку заряджених частинок, що йдуть від Сонця, і лише частина з них потрапляє в атмосферу Землі і тільки над полюсами. Полярне сяйво можуть спостерігати жителі і гості Норвегії, Швеції (Куріна), Фінляндії (північна її частина), Ісландії, Канади (Великі озера в Онтаріо), Росії (Кольський півострів). Чи є полярне сяйво на інших планетах? Так, є! Такі явища можна спостерігати на Венері, Сатурні, Юпітері і Марсі. Пояснення практично ті ж самі, що і для Землі. Наприклад: Але оптичні явища і ілюзії, які можна пояснити фізичними законами, мають не лише космічні або планетарні масштаби. Вони існують і на побутовому рівні. Криве дзеркало – один з варіантів оптичної ілюзії з «фізичним» поясненням. Увігнута або опукла поверхня дзеркала відображає промені по-різному, що і призводить до спотвореного зображення: Чому предмети у воді здаються більшими або меншими? Чому ложка в стакані здається викривленою? Причиною є заломлення світла. Промені сонячного світла, падаючи на предмет у воді, відбиваються, і частина цих відбитих променів потрапляє нам в око. Під впливом світла сітківка ока (спеціальний світлочуттєвий шар) посилає сигнали в мозок, і там формується зображення предмета. А ми говоримо «око бачить». Промені світла потрапляють в наше око через повітря. Без всяких відхилень. Тому ми бачимо предмети такими, якими вони є. Але якщо промінь проходить через різні середовища (тобто різні речовини, наприклад: повітря і воду, воду і скло і т.д.), то він відхиляється від своєї дороги. І потрапляє на сітківку ока не там, де має бути, а трохи осторонь. Ось і виходить, що ми бачимо предмет трохи більшим (або меншим, це вже від середовища залежить), ніж він є насправді. Це явище описується законом Снелліуса. Саме він описує заломлення на межі прозорих середовищ: Завдання: Прослідкуйте, які оптичні ілюзії зустрічаються вам у повсякденному житті, і які з них пояснюються фізичними закономірностями? Підготуйте невелике повідомлення на цю тему. Мистецтво Гра світла і тіні дарує плоскому зображенню об'єм. Сонячні промені, що впали під певним кутом, «оживляють» картину, «одушевляють» портрет. Мистецтво просто неможливе без оптичних ілюзій. Адже не даремно нам здається, що деякі портрети стежать за нами. Це і є мистецтво оптичної ілюзії. Мурали Мурал-арт – це один з різновидів outdoor-живопису, але, на відміну від стріт-арту, картини цього жанру виглядають масштабнішими. Це один з насучасніших видів мистецтва, поряд із стріт-артом, що набуває все більшої популярності: Стріт-арт У цьому виді мистецтва об'єднано і графіті, і трафарети, і інсталяції і багато іншого. Ось де міське середовище міняється до невпізнання! Саме складний міський ландшафт стає ідеальним полотном для нього: Анаморфна ілюзія Цей вид мистецтва є ЗD-живописом, коли зображення набуває об'єму при погляді під певним кутом: «Анімація на папері» Наш мозок «склеює» послідовні кадри і при швидкому перегляді перетворює рухи в ілюзію: Голографія Один з найтехнологічніших видів мистецтва, при якому використовується набір технологій для точного запису, відтворення і переформатування хвильових полів оптичного електромагнітного випромінювання. Це особливий фотографічний метод, при якому за допомогою лазера реєструються, а потім відновлюються зображення тривимірних об'єктів, надзвичайно схожих на реальні. Наприклад, це одна і та ж голограма, яка знята з різних ракурсів: Чи можна зробити голограму самому? Можна! Для цього є декілька прийомів і способів. Наприклад, можна використовувати смартфон: Лазер-шоу Це найсучасніший, наукоємний і високотехнологічний вигляд ілюзії і мистецтва. В якості полотна виступає або нічне небо, або історичні будинки. А художники – команда фахівців, що працюють над створенням філігранного зображення. Рух, колір, об'єм, пластика – ось результат роботи лазерного променя і світлових ефектів: Завдання: Можете спробувати зробити паперову анімацію або голограму самостійно. Складність залежатиме від вашої вправності і терпіння. Успіху!