生活中“視覺暫留”現象的物理規律淺探

■張建新

人眼在觀察景物時,光信號傳入大腦神經,需要經過一段短暫的時間,光的作用結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內前一信號在大腦里的印象仍然存在。因為視覺暫留現象的存在,所以我們在觀看快速移動的物體時會產生錯覺。在提倡素質教育的大環境下,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,需要根據實際問題提煉物理模型,充分利用視覺暫留現象的條件分析處理。

背景材料1：在街頭的理發店門口,我們經?？梢钥吹健耙粋€轉動的圓筒,外表有彩色螺旋斜條紋”的廣告標志,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,這是圓筒的轉動使得我們產生了錯覺。

例1如圖1所示,假設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動(俯視),每秒轉四圈,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,因為圓筒在轉動,所以經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,故會從整體上產生條紋向下移動的錯覺。

解：因為圓筒沿逆時針方向每秒轉四圈,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)轉動,根據人眼的視覺暫留現象可知,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。動畫、電影、電視實際是由一幅幅靜態的畫面以一定的速度播放而形成的動態的視覺效果。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的動態畫面效果。

例2如圖2所示,電視畫面每隔更迭一幀,當電視屏幕上出現一輛馬車勻速奔馳的情景時,觀眾如果注視車輛的輻條,那么往往會產生一些奇怪的視覺效果。設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、正轉或倒轉時車輪轉速需滿足的條件。

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的。

解：當每過時間,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=,車輪的轉速,3,…)。當時,觀眾覺得車輪是不動的。當n略大于對應的車輪不動狀態的數值時,觀眾覺得車輪是正轉的；當n略小于對應的車輪不動狀態的數值時,觀眾覺得車輪是倒轉的。