生活中“視覺暫留”現(xiàn)象的物理規(guī)律淺探

■張建新

人眼在觀察景物時,光信號傳入大腦神經(jīng),需要經(jīng)過一段短暫的時間,光的作用結(jié)束后視覺形象并不立即消失,也會停留一段時間,這種視覺現(xiàn)象稱為視覺暫留。在視覺暫留中,人眼接收到的信號在大腦里保持的時間約為0.1s,即在0.1s內(nèi)前一信號在大腦里的印象仍然存在。因為視覺暫留現(xiàn)象的存在,所以我們在觀看快速移動的物體時會產(chǎn)生錯覺。在提倡素質(zhì)教育的大環(huán)境下,高中階段我們也會遇到涉及“視覺暫留”的問題,求解此類問題時,需要根據(jù)實際問題提煉物理模型,充分利用視覺暫留現(xiàn)象的條件分析處理。

背景材料1：在街頭的理發(fā)店門口,我們經(jīng)?？梢钥吹健耙粋€轉(zhuǎn)動的圓筒,外表有彩色螺旋斜條紋”的廣告標(biāo)志,我們感覺條紋在沿豎直方向運動,但實際上條紋在豎直方向上并沒有升降,這是圓筒的轉(zhuǎn)動使得我們產(chǎn)生了錯覺。

例1如圖1所示,假設(shè)某店鋪門口的廣告圓筒上的彩色條紋是圍繞在圓筒的一條寬帶,相鄰兩圈條紋在沿圓筒軸線方向上的距離L=10cm,圓筒沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動(俯視),每秒轉(zhuǎn)四圈,求我們感覺到的條紋升降方向和速度大小。

圖1

分析：觀察某一個空間位置處的彩色條紋,因為圓筒在轉(zhuǎn)動,所以經(jīng)過很小的時間間隔后,同一位置處不再是彩色條紋,但由于人眼的視覺暫留,人眼錯認為原來的點向下移動了一小段,故會從整體上產(chǎn)生條紋向下移動的錯覺。

解：因為圓筒沿逆時針方向每秒轉(zhuǎn)四圈,所以周期T=0.25s。又有螺距L=10cm,所以條紋每秒沿豎直方向運動的距離為40cm,即速度大小為40cm/s。根據(jù)題圖可知,彩色螺旋斜條紋從左下到右上,圓筒沿逆時針方向(俯視)轉(zhuǎn)動,根據(jù)人眼的視覺暫留現(xiàn)象可知,我們感覺到的條紋的運動方向向下。

背景材料2：視覺暫留是動畫、電影、電視等視覺媒體形成和傳播的理論基礎(chǔ)。動畫、電影、電視實際是由一幅幅靜態(tài)的畫面以一定的速度播放而形成的動態(tài)的視覺效果。實驗證明,如果動畫、電影、電視的畫面刷新率大于每秒24幀,那么人眼看到的就是連續(xù)的動態(tài)畫面效果。

例2如圖2所示,電視畫面每隔更迭一幀,當(dāng)電視屏幕上出現(xiàn)一輛馬車勻速奔馳的情景時,觀眾如果注視車輛的輻條,那么往往會產(chǎn)生一些奇怪的視覺效果。設(shè)車輪上有八根對稱分布的完全相同的輻條,請判斷觀眾覺得車輪不動、正轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)時車輪轉(zhuǎn)速需滿足的條件。

圖2

分析：電視畫面每隔更迭一幀,若每過的時間,車輪的輻條位置與前一時刻的輻條位置正好重合(但不一定與同一根輻條重合),則觀眾覺得車輪是不動的。若每過的時間,車輪的輻條位置比前一時刻的輻條位置滯后,則觀眾覺得車輪是倒轉(zhuǎn)的。若每過的時間,車輪的輻條位置比前一時刻的輻條位置超前,則觀眾覺得車輪是正轉(zhuǎn)的。

解：當(dāng)每過時間,車輪輻條位置與前一時刻的輻條位置重合時,車輪的角速度ω=,車輪的轉(zhuǎn)速,3,…)。當(dāng)時,觀眾覺得車輪是不動的。當(dāng)n略大于對應(yīng)的車輪不動狀態(tài)的數(shù)值時,觀眾覺得車輪是正轉(zhuǎn)的；當(dāng)n略小于對應(yīng)的車輪不動狀態(tài)的數(shù)值時,觀眾覺得車輪是倒轉(zhuǎn)的。