Физическая викторина. Оптика. Действие света на глаз
1. Предложить каждому участнику викторины расположить карандаш горизонтально, очиненным концом вправо на расстоянии вытянутой руки. Закрыв левый глаз, смотреть правым глазом на левый конец карандаша — очиненный конец исчезает из поля зрения, хотя окружающие предметы различаются довольно хорошо. Объяснить явление.
2. Соединить перед собой на расстоянии 35—50 см концы указательных пальцев так, чтобы они составляли продолжение один другого, и посмотреть «сквозь пальцы» на удаленную стенку (рис.). Наблюдателю будет казаться, что между пальцами зажата маленькая «сарделька», которая, если немного раздвинуть пальцы, повиснет в воздухе. Объяснить явление.
3. Что больше — высота шляпы или ширина полей (рис.)?
4. Одинаковы ли по высоте верхние и нижние части типографских знаков, изображенных на рисунке?
5. Одинаково ли расстояние между вертикальной линией и кругом в левой части рисунка и между двумя кругами в правой части этого рисунка? Проверить ответ с помощью линейки. Объяснить полученный результат.
6. Равны ли стороны аb и сd у треугольников, изображенных на рисунке? Ответ проверить измерением.
7. Одинаковой ли (однотонной) кажется штриховка квадрантов круга, изображенного на рисунке? Повернуть рисунок на 90° и снова ответить на тот же вопрос. Объяснить явление.
8. Бинокулярное зрение.
На расстоянии 4—5 м от вызванного к столу участника викторины ребром к нему подвесить небольшое кольцо диаметром 2 см. Он должен, закрыв левый глаз ладонью, подойти к кольцу и продеть в него карандаш (рис.), что обычно сразу не удается. Объяснить явление.
9. Диаметр зрачка человеческого глаза может меняться от 2 до 8 мм. Чем объяснить, что максимальная острота зрения имеет место при диаметре 3—4 мм?
10. Опыт В. Брегга.
Красную лампу (применяемую в фотографии) поместить позади ярко освещенного картонного диска диаметром около 50 см. Диск наполовину оклеить белой, наполовину черной бумагой. Из него вырезать сектор в 45°, симметричный относительно чернобелой границы (рис.).
Если диск вращать со скоростью 2—3 об/с с помощью центробежной машины в таком направлении, чтобы красная лампа закрывалась сначала белой половиной диска, то зрители увидят зеленую лампу.
Объяснить явление.
Примечание. Для опыта можно взять обычную электролампу и накрыть ее куском красной материи.
11. Кажущееся увеличение числа наблюдаемых объектов.
На валу электродвигателя укрепить круг из белой бумаги диаметром 15—20 см, на котором начерчена хорда, стягивающая, например, 1⁄8 окружности (рис.). Ширина линии не менее 5 мм. Круг осветить неоновой лампой. При изменении скорости вращения двигателя зрители увидят сложные переплеты и комбинации множества разных фигур. Объяснить явление.
12. На оси электродвигателя закрепить диск, разделенный на три кольца с радиально начерченными полосками (рис.). Осветить диск неоновой лампой. Если подобрать такую скорость электродвигателя, чтобы средний ряд полосок казался неподвижным, то внешний ряд будет казаться вращающимся в одну сторону, а внутренний — в другую. Объяснить явление.
13. На оси электродвигателя закрепить фанерный круг диаметром 40 см с двумя круглыми отверстиями, расположенными симметрично относительно его центра. На круге изображена вазочка и отдельно от нее букет цветов (рис.). Пучок света от проекционного фонаря проходит через отверстие в круге и попадает на плоское зеркало, отражающее свет обратно на круг. Зеркало поместить на расстоянии 2 м от проекционного фонаря, на объектив которого установить диафрагму с отверстием не более 1 см в диаметре. Левую часть круга заслонить от зрителей непрозрачным экраном.
При вращении круга в затемненной комнате зрители увидят букет в вазе. Объяснить явление.
14. Какой из пешеходов, изображенных на рисунке, выше ростом?
После ответа измерить фигуры на рисунке линейкой и выяснить, почему фигура мужчины кажется выше, чем фигура мальчика.
15. Если смешать синюю и желтую краски, то получается зеленая краска. Но если светом синей и желтой ламп осветить лист чертежной бумаги, то она будет иметь белый цвет (синий и желтый цвета являются дополнительными). Нет ли здесь противоречия?
16. Лист бумаги размером 15 х 15 см расчертить карандашом на квадратики (2x2 мм) и раскрасить в шахматном порядке в два цвета — желтый и голубой. Показать этот лист сначала издалека, а затем вблизи. В первом случае он кажется зеленым. Объяснить явление.
Ответы
1. Очиненный конец карандаша исчезает из поля зрения потому, что его изображение попадает на слепое пятно сетчатки глаза.
2. Эта иллюзия объясняется тем, что наблюдатель правым глазом не видит часть стены, ограниченную линиями АВС и KLM, а левым — часть стены, ограниченную линиями АB1С и КL1М. В итоге невидимая часть стены имеет вид «сардельки».
3. Они одинаковы, хотя высота шляпы кажется больше ее полей. Это объясняется тем, что поворот глаз в вертикальной плоскости требует большего мышечного напряжения, чем такой же поворот в горизонтальной плоскости, вследствие чего вертикальные расстояния кажутся нам больше равных им горизонтальных.
4. Верхние части знаков кажутся равными по высоте нижним, хотя они на самом деле меньше нижних, в чем можно убедиться, перевернув рисунок. (См. также ответ к задаче 3.)
5. Первое расстояние кажется меньше второго. Ошибка объясняется психофизиологическими особенностями зрительного восприятия: расстояние между краями черных кружков мы невольно относим к их центру.
6. Сторона аb кажется меньше, чем сторона cd, хотя они равны между собой. Мы ошибочно считаем, что большая фигура имеет большие части, чем малая, хотя это бывает не всегда.
7. Линии одной пары лежащих друг против друга квадрантов кажутся более черными, чем линии другой пары. Это объясняется астигматизмом, т. е. дефектом глаз, который обусловлен несферической формой роговой оболочки или хрусталика. Поэтому человек видит четко, например, только вертикальные или только горизонтальные линии.
8. Если два предмета неодинаково удалены от наблюдателя, то расстояние между их изображениями на сетчатке одного глаза не равно соответствующему расстоянию на сетчатке другого глаза. Это дает возможность человеку оценивать расстояния до предметов.
При зрении одним глазом изображения получаются только на сетчатке одного глаза, поэтому способность человека оценивать расстояния до предметов значительно ухудшается.
9. При большом диаметре зрачка острота зрения уменьшается из-за большой сферической аберрации глаза. При малом диаметре зрачка сказывается искажение изображения дифракционными явлениями.
10. Чувствительность сетчатки глаза к красным лучам (в месте, на которое падает изображение красной лампы) уменьшается из-за утомления. Поэтому, когда на это место падают лучи от белого сектора, глаз сильнее всего реагирует на зеленые лучи, входящие в состав белого света.
11. В моменты нескольких последовательных вспышек лампы хорда окажется в разных местах круга. Вследствие способности глаза сохранять зрительные ощущения в течение некоторого времени мы увидим сложную фигуру.
12. Пусть в некоторый момент круг, вращающийся по часовой стрелке, занимает положение, изображенное на рисунке а, и наблюдатель смотрит на полоски, обозначенные буквами a1, a2, a3. За время между двумя вспышками лампы полоска b2 среднего кольца займет положение a2, каждая полоска этого кольца также займет место соседней полоски, поэтому он будет казаться неподвижным. Рисунок б показывает, что в этот момент полоска b1 окажется левее, а полоска b3 — правее полоски b2. Поэтому внешнее кольцо будет казаться вращающимся по часовой, а внутреннее — против часовой стрелки.
13. Пучок света, отраженный зеркалом, освещает поочередно то изображение вазы, то изображение букета. Глаз некоторое время сохраняет зрительное впечатление, после того как предмета перед ним уже нет, поэтому зрители видят одновременно оба изображения (стробоскопический эффект).
14. Повседневный опыт показывает, что, чем дальше находится предмет, тем он кажется меньше, а из двух предметов, размеры которых кажутся одинаковыми, больше тот, который дальше от нас отстоит. Именно поэтому фигура мужчины кажется выше фигуры мальчика.
15. Нет. Синяя краска поглощает все цвета, но отражает синий, голубой и зеленый; желтая поглощает все цвета, но отражает зеленый, желтый и оранжевый. Поэтому обе краски в смеси отражают только зеленый цвет. При освещении экрана синим и желтым цветом оба они отражаются и вызывают ощущение белого цвета.
16. Если раскрашенный лист находится далеко, то изображения соседних желтых и голубых квадратиков укладываются на одном светочувствительном элементе сетчатки глаза и поэтому дают ощущение, соответствующее смешанному цвету.