Как глаз видит изображение пламени свечи физика

Как глаз видит изображение пламени свечи физика

Недавно ученые из США в ходе наблюдения за звездой выяснили, с какого расстояния человек способен увидеть, как горит свеча. Оказалось, что человеческий глаз заметит пламя свечи даже с расстояния 2,6 км.

Недавно ученые из США в ходе наблюдения за звездой выяснили, с какого расстояния человек способен увидеть, как горит свеча. Оказалось, что человеческий глаз заметит пламя свечи даже с расстояния 2,6 км.

Чтобы выяснить, на каком расстоянии человек заметит пламя свечи, астрономы наблюдение за звездой Вега, которая является второй по яркости. Один из участников исследования, рассказал, что реклама витаминов подтолкнула группу ученых к исследованию.

Ученые начали свой эксперимент с подсоединения цифровой камеры к мощному телескопу. После этого астрономы наблюдали за Вегой и пламенем свечи. Ученые сопоставляли изображения, постепенно отодвигая свечу, так, чтобы ее яркость и размеры огня совпадали с изображением Веги в телескопе.

Сравнив дистанцию от мощного прибора до свечи, и яркость световых пятен ученые установили то расстояние, с которого бы пламя было бы заметным для глаза. Таким образом, специалисты выяснили, что максимальное расстояние, с которого можно увидеть огонь достигает 2,6 километров. В результате астрономы сделали вывод, что утверждение о витаминах является рекламным ходом.

Каковы пределы человеческого зрения?

Окиньте взглядом комнату, в которой находитесь – что вы видите? Стены, окна, разноцветные предметы – все это кажется таким привычным и само собой разумеющимся. Легко забыть о том, что мы видим окружающий нас мир лишь благодаря фотонам — световым частицам, отражающимся от объектов и попадающим на сетчатку глаза.

В сетчатке каждого из наших глаз расположено примерно 126 млн светочувствительных клеток. Мозг расшифровывает получаемую от этих клеток информацию о направлении и энергии попадающих на них фотонов и превращает ее в разнообразие форм, цветов и интенсивности освещения окружающих предметов.

У человеческого зрения есть свои пределы. Так, мы не способны ни увидеть радиоволны, излучаемые электронными устройствами, ни разглядеть невооруженным глазом мельчайшие бактерии.

Благодаря прогрессу в области физики и биологии можно определить границы естественного зрения. «У любых видимых нами объектов есть определенный «порог», ниже которого мы перестаем их различать», — говорит Майкл Лэнди, профессор психологии и нейробиологии в Нью-Йоркском университете.

Сперва рассмотрим этот порог с точки зрения нашей способности различать цвета — пожалуй, самой первой способности, которая приходит на ум применительно к зрению.

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

Конец истории Реклама подкастов

Наша способность отличать, например, фиолетовый цвет от пурпурного связана с длиной волны фотонов, попадающих на сетчатку глаза. В сетчатке имеются два типа светочувствительных клеток — палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цветовосприятие (так называемое дневное зрение), а палочки позволяют нам видеть оттенки серого цвета при низком освещении — например, ночью (ночное зрение).

Содержащиеся в светочувствительных клетках рецепторы — опсины — поглощают электромагнитную энергию фотонов и производят электрические импульсы. Эти сигналы по оптическому нерву попадают в мозг, который и создает цветную картину происходящего вокруг нас.

В человеческом глазе есть три вида колбочек и соответствующее им число типов опсинов, каждый из которых отличается особой чувствительностью к фотонам с определенным диапазоном длин световых волн.

Колбочки S-типа чувствительны к фиолетово-синей, коротковолновой части видимого спектра; колбочки M-типа отвечают за зелено-желтую (средневолновую), а колбочки L-типа — за желто-красную (длинноволновую).

Все эти волны, а также их комбинации, позволяют нам видеть полный диапазон цветов радуги. «Все источники видимого человеком света, за исключением ряда искусственных (таких, как преломляющая призма или лазер), излучают смесь волн различной длины», — говорит Лэнди.

Из всех существующих в природе фотонов наши колбочки способны фиксировать лишь те, которые характеризуются длиной волн в весьма узком диапазоне (как правило, от 380 до 720 нанометров) – это и называется спектром видимого излучения. Ниже этого диапазона находятся инфракрасный и радиоспектры – длина волн низкоэнергетических фотонов последнего варьируется от миллиметров до нескольких километров.

По другую сторону видимого диапазона волн расположен ультрафиолетовый спектр, за которым следует рентгеновский, а затем — спектр гамма-излучения с фотонами, длина волн которых не превышает триллионные доли метра.

Хотя зрение большинства из нас ограничено видимым спектром, люди с афакией — отсутствием в глазу хрусталика (в результате хирургической операции при катаракте или, реже, вследствие врожденного дефекта) — способны видеть ультрафиолетовые волны.

В здоровом глазе хрусталик блокирует волны ультрафиолетового диапазона, но при его отсутствии человек способен воспринимать волны длиной примерно до 300 нанометров как бело-голубой цвет.

В исследовании 2014 г. отмечается, что в каком-то смысле мы все можем видеть и инфракрасные фотоны. Если два таких фотона практически одновременно попадут на одну и ту же клетку сетчатки, их энергия может суммироваться, превратив невидимые волны длиной, скажем, в 1000 нанометров в видимую волну длиной в 500 нанометров (большинство из нас воспринимает волны этой длины как холодный зеленый цвет).

Сколько цветов мы видим?

В глазе здорового человека три типа колбочек, каждый из которых способен различать около 100 различных цветовых оттенков. По этой причине большинство исследователей оценивает количество различаемых нами цветов примерно в миллион. Однако восприятие цвета очень субъективно и индивидуально.

«Точно подсчитать, сколько мы видим цветов, не представляется возможным, — говорит Кимберли Джемесон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвайне. – Некоторые видят больше, некоторые — меньше».

Джемесон знает, о чем говорит. Она изучает зрение тетрахроматов – людей, обладающих поистине сверхчеловеческими способностями к различению цветов. Тетрахроматия встречается редко, в большинстве случаев у женщин. В результате генетической мутации у них имеется дополнительный, четвертый вид колбочек, что позволяет им, по грубым подсчетам, видеть до 100 млн цветов. (У людей, страдающих цветовой слепотой, или дихроматов, всего два типа колбочек — они различают не более 10 000 цветов.)

Сколько нам нужно фотонов, чтобы увидеть источник света?

Как правило, колбочкам для оптимального функционирования требуется гораздо больше света, чем палочкам. По этой причине при низком освещении наша способность различать цвета падает, а за работу принимаются палочки, обеспечивающие черно-белое зрение.

В идеальных лабораторных условиях на тех участках сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут активироваться при попадании на них всего нескольких фотонов. Однако палочки справляются с задачей регистрации даже самого тусклого света еще лучше.

Как показывают эксперименты, впервые проведенные в 1940-х гг., одного кванта света достаточно для того, чтобы наш глаз его увидел. «Человек способен увидеть один-единственный фотон, — говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфордском университете. – В большей чувствительности сетчатки просто нет смысла».

В 1941 г. исследователи из Колумбийского университета провели эксперимент – испытуемых заводили в темную комнату и давали их глазам определенное время на адаптацию. Для достижения полной чувствительности палочкам требуется несколько минут; именно поэтому, когда мы выключаем в помещении свет, то на какое-то время теряем способность что-либо видеть.

Затем в лицо испытуемым направляли мигающий сине-зеленый свет. С вероятностью выше обычной случайности участники эксперимента регистрировали вспышку света при попадании на сетчатку всего 54 фотонов.

Не все фотоны, достигающие сетчатки, регистрируются светочувствительными клетками. Учитывая это обстоятельство, ученые пришли к выводу, что всего пяти фотонов, активирующих пять разных палочек в сетчатке, достаточно, чтобы человек увидел вспышку.

Самый маленький и самый удаленный видимые объекты

Следующий факт может вас удивить: наша способность увидеть объект зависит вовсе не от его физических размеров или удаления, а от того, попадут ли хотя бы несколько излучаемых им фотонов на нашу сетчатку.

«Единственное, что нужно глазу, чтобы что-то увидеть, — это определенное количество света, излученного или отраженного на него объектом, — говорит Лэнди. – Все сводится к числу достигших сетчатки фотонов. Каким бы миниатюрным ни был источник света, пусть даже он просуществует доли секунды, мы все равно способны его увидеть, если он излучает достаточное количество фотонов».

В учебниках по психологии часто встречается утверждение о том, что в безоблачную темную ночь пламя свечи можно заметить с расстояния до 48 км. В реальности же наша сетчатка постоянно бомбардируется фотонами, так что один-единственный квант света, излученный с большого расстояния, просто затеряется на их фоне.

Чтобы представить себе, насколько далеко мы способны видеть, взглянем на ночное небо, усеянное звездами. Размеры звезд огромны; многие из тех, что мы наблюдаем невооруженным взглядом, достигают миллионов км в диаметре.

Однако даже самые близкие к нам звезды расположены на расстоянии свыше 38 триллионов километров от Земли, поэтому их видимые размеры настолько малы, что наш глаз не способен их различить.

С другой стороны, мы все равно наблюдаем звезды в виде ярких точечных источников света, поскольку испускаемые ими фотоны преодолевают разделяющие нас гигантские расстояния и попадают на нашу сетчатку.

Все отдельные видимые звезды на ночном небосклоне находятся в нашей галактике – Млечном Пути. Самый удаленный от нас объект, который человек в состоянии разглядеть невооруженным глазом, расположен за пределами Млечного Пути и сам представляет собой звездное скопление – это Туманность Андромеды, находящаяся на расстоянии в 2,5 млн световых лет, или 37 квинтильонов км, от Солнца. (Некоторые люди утверждают, что особо темными ночами острое зрение позволяет им увидеть Галактику Треугольника, расположенную на удалении около 3 млн световых лет, но пусть это утверждение останется на их совести.)

Туманность Андромеды насчитывает один триллион звезд. Из-за большой удаленности все эти светила сливаются для нас в едва различимое пятнышко света. При этом размеры Туманности Андромеды колоссальны. Даже на таком гигантском расстоянии ее угловой размер в шесть раз превышает диаметр полной Луны. Однако до нас долетает настолько мало фотонов из этой галактики, что она едва различима на ночном небе.

Предел остроты зрения

Почему же мы не способны разглядеть отдельные звезды в Туманности Андромеды? Дело в том, что у разрешающей способности, или остроты, зрения есть свои ограничения. (Под остротой зрения подразумевается способность различать такие элементы, как точка или линия, как отдельные объекты, не сливающиеся с соседними объектами или с фоном.)

Фактически остроту зрения можно описывать так же, как и разрешение компьютерного монитора — в минимальном размере пикселей, которые мы еще способны различать как отдельные точки.

Ограничения остроты зрения зависят от нескольких факторов — таких как расстояние между отдельными колбочками и палочками сетчатки глаза. Не менее важную роль играют и оптические характеристики самого глазного яблока, из-за которых далеко не каждый фотон попадает на светочувствительную клетку.

В теории, как показывают исследования, острота нашего зрения ограничивается способностью различать около 120 пикселей на угловой градус (единицу углового измерения).

Практической иллюстрацией пределов остроты человеческого зрения может являться расположенный на расстоянии вытянутой руки объект площадью с ноготь, с нанесенными на нем 60 горизонтальными и 60 вертикальными линиями попеременно белого и черного цветов, образующими подобие шахматной доски. «По всей видимости, это самый мелкий рисунок, который еще в состоянии различить человеческий глаз», — говорит Лэнди.

На этом принципе основаны таблицы, используемые окулистами для проверки остроты зрения. Наиболее известная в России таблица Сивцева представляет собой ряды черных заглавных букв на белом фоне, размер шрифта которых с каждым рядом становится все меньше.

Острота зрения человека определяется по тому, на каком размере шрифта он перестает четко видеть контуры букв и начинает их путать.

Именно пределом остроты зрения объясняется тот факт, что мы не способны разглядеть невооруженным глазом биологическую клетку, размеры которой составляют всего несколько микрометров.

Но не стоит горевать по этому поводу. Способность различать миллион цветов, улавливать одиночные фотоны и видеть галактики на удалении в несколько квинтильонов километров – весьма неплохой результат, если учесть, что наше зрение обеспечивается парой желеобразных шариков в глазницах, соединенных с полуторакилограммовой пористой массой в черепной коробке.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Как глаз видит изображение пламени свечи физика

Источник света должен быть больше предмета, а экран должен находиться от предмета дальше, чем вершина конуса полной тени.

Надо установить несколько ламп.

См. рисунок 367. Увеличиваются размеры не только тени, но и полутени.

Облако отбрасывает суживающийся к земле конус полной тени, но высота конуса из-за значительных размеров облака весьма велика. Поэтому полная тень облака на Земле практически мало отличается по размерам от самого облака.

Может, если тень образуется на стене, параллельно которой бежит человек, а источник света движется быстрее человека в том же направлении, что и человек.

Глаз следует помещать возможно ближе к отверстию.

Чем ближе отверстие к экрану, тем изображение получается меньшим.

. по отношению к направлению движения человека?
В противоположном.

. соответствует числу отверстий в сиденье. Объясните явление. Как ориентированы полукольца по отношению к положению нити лампы?

Еще нет ответа на этот вопрос.

Изображение будет приближаться к берегу.

На угол 2а.

См. рисунок 368.

Если плоскость зеркала наклонена к плоскости стола под углом 45° и линия пересечения этих плоскостей перпендикулярна к траектории движения шара.

Можно в экваториальных странах.

Чтобы водитель мог наблюдать за тем, что происходит у правого и у левого бортов вагона.

Если на зеркало падает сходящийся пучок лучей.

Построим точку В₁, симметричную точке В (рис. 369). Так как ?ВСК= ?В₁СК и а=в, то В₁A есть прямая. Всякий иной путь (АРВ и AQB), очевидно, больше АКВ.

Увеличится в два раза.

Со скоростью 4 м/с.

. изображения закрытого глаза? Поясните явление, сделав чертеж.
Соответствующие лучи не отражаются от зеркала.

Область видения находится между лучами ВК₁ и АК₂ (рис. 370). Если зеркало закрывать, то область видения будет уменьшаться.

Если наблюдатель будет смотреть вдоль линии А₁В₁ (рис. 371), то изображения окажутся наложенными друг на друга. Из положения С наблюдатель увидит B₁ справа от А₁. Из положения D он увидит В₁ слева от А₁.

Изображение всего предмета будет видно в области наложения двух пучков, в области МАВК (рис. 372).

Можно, если расположить глаз близко к поверхности зеркала.

Вопрос об оптическом явлении

Обнаружил такое явление, что при приближении двух объектов между ними может возникать фиксируемый как глазом. так и фотокамерой оптический мостик (Как будто появляются выросты). Это не тепловое преломление света (объекты могут быть той же температуры что окружающая среда ) и это не затенение. Растояние между объектами тоже больше длинны волны видимого света (1-2 мм). Возможно какое-то преломление света, но я об этом не нашел информации. Вопрос — с чем это может быть связано? Что это за явление? Есть предположение о том, что может быть разный угол падения света, но не уверен.

отредактировал(а) Цитогенетик: 2020-11-29 21:32 GMT
Очепятка
#39818 2020-11-29 22:04 GMT

780 сообщений
Откуда: Интернет
Кто: В поисках истины
Возраст: 36

Что за мости? Тела металические? Поверхность зеркальная или матовая?

Цитогенетик
#39819 2020-11-29 22:37 GMT

Тела любые, авторучки, карандаши. просто пальцы. Вот пример. Правда фото не очень хорошее.

Очепятка
#39821 2020-11-29 22:48 GMT

780 сообщений
Откуда: Интернет
Кто: В поисках истины
Возраст: 36

Это просто тень, а сверху еще и цифровое размытие.

Отражение тоже возможно,

Anderis
#39823 2020-11-30 09:26 GMT

7130 сообщений
Откуда: Moscow
Кто: Дедушка
Возраст: 74

#39817 Цитогенетик :

Обнаружил такое явление, что при приближении двух объектов между ними может возникать фиксируемый как глазом. так и фотокамерой оптический мостик (Как будто появляются выросты). Это не тепловое преломление света (объекты могут быть той же температуры что окружающая среда ) и это не затенение. Растояние между объектами тоже больше длинны волны видимого света (1-2 мм). Возможно какое-то преломление света, но я об этом не нашел информации. Вопрос — с чем это может быть связано? Что это за явление? Есть предположение о том, что может быть разный угол падения света, но не уверен.

Ну-у-у-у, вообще-то всё, что мы или приборы видят — это отраженный свет.

Вот источник света, но лучи от источника не видны. Их можно обнаружить только поставив на их пути преграду.

Лучи, попадая на преграду, вызывает в ней вторичное излучение.

Поэтому арбуз зеленый, а его мякоть — красная, хотя на арбуз падал один и тот же луч.

«Целкни кобылу в нос — она взмахнет хвостом.»

«Зри в корень» К.Прутков С

Я умею читать мысли других, но только тогда, когда они у них есть

Anderis
#39824 2020-11-30 09:29 GMT

7130 сообщений
Откуда: Moscow
Кто: Дедушка
Возраст: 74

#39821 Очепятка :

Это просто тень, а сверху еще и цифровое размытие.

Отражение тоже возможно,

Бред домашней хозяйки.

Глаз может различать детали определённой величины, а когда величина деталей мала, то изображение размывается.

«Целкни кобылу в нос — она взмахнет хвостом.»

«Зри в корень» К.Прутков С

Я умею читать мысли других, но только тогда, когда они у них есть

Очепятка
#39827 2020-11-30 17:03 GMT

780 сообщений
Откуда: Интернет
Кто: В поисках истины
Возраст: 36

#39824 Anderis :

#39821 Очепятка :

Это просто тень, а сверху еще и цифровое размытие.

Отражение тоже возможно,

Бред домашней хозяйки.

Глаз может различать детали определённой величины, а когда величина деталей мала, то изображение размывается.

Это вы отражение с рассиванием путаете. По мимо прочего есть ещё поглощение части спектра и люминисценция.

Цитогенетик
#39829 2020-11-30 22:20 GMT

Быстрее всего это связано с интерференцией. К сожалению из за перехода на пингвиний виндовс сейчас не смогу толком сбросить фото или видео.

Цитогенетик
#39830 2020-11-30 22:26 GMT

Это не эффект камеры, поскольку тоже наблюдается и посредством зрения. Еще есть такой эффект когда по середине между объектами появляется как бы паралельная поверхностям темная черта. К сожалению показать это пока не смогу.

отредактировал(а) Цитогенетик: 2020-11-30 22:33 GMT
Anderis
#39834 2020-12-01 09:31 GMT

7130 сообщений
Откуда: Moscow
Кто: Дедушка
Возраст: 74

#39830 Цитогенетик :

Это не эффект камеры, поскольку тоже наблюдается и посредством зрения. Еще есть такой эффект когда по середине между объектами появляется как бы паралельная поверхностям темная черта. К сожалению показать это пока не смогу.

Обратите внимание, что ни на одной вашей картинке нет четкого перехода

все границы размыты.

Это вызвано наличием воздуха.

Снимки, полученные в космосе, имеют очень четкие границы.

«Целкни кобылу в нос — она взмахнет хвостом.»

«Зри в корень» К.Прутков С

Я умею читать мысли других, но только тогда, когда они у них есть

Очепятка
#39837 2020-12-01 12:37 GMT

780 сообщений
Откуда: Интернет
Кто: В поисках истины
Возраст: 36

#39834 Anderis :

Обратите внимание, что ни на одной вашей картинке нет четкого перехода

все границы размыты.

Это вызвано наличием воздуха.

Снимки, полученные в космосе, имеют очень четкие границы.

Воздух тут играет меньшую роль. Если приглядеться, то снимок доски на заднем плане чёткий. Или говоря проще ручки оказались вне фокуса.

Подробнее можно прочитать тут:

Что такое Глубина Резкости?

Понять что такое глубина резкости изображаемого пространства (ГРИП) проще на примере.
Ниже вы видите две похожие фотографии с разной глубиной резкости

Резкость объектива (фокусировка) была настроена на фигуру попавшую в рамку фокусировки — назовём эту фигуру
главным объектом съёмки.
На первой фотографии все объекты фотосъёмки оказались достаточно резкими. На второй фотографии главный объект оказался самым резким, а вот остальные объекты оказались рамытыми (расфокусированными). При этом, вы легко заметите:
чем дальше предмет находится от гланого объекта съёмки (незавивисимо в какую сторону, но по линии визирования от объектива к фону), тем больше его нерезкость.Даже очертания шахматной доски на второй фотографии практически исчезла из-за сильного размытия.

Второе что влияет на размытость. Это дрожания рук. Руки у всех дрожат, токова физиология человека. Они совершают микро перемещения обычно незаметные при общении. Но вот камера их фиксирует. Автор фото держит предметы в руках. И из-за выдержки снимка педмет пеуспевает переместиться и оставляет след на фото.

Все каджеты ещё и обрабатывают фото для устранения дефектов.

А воздухе преломление света происходит из-за перепада температур. К примеру от пламени свечи (зажигалки).

И рассеивание которое было показано в соседней ветке. Но вот для рассеивание на воздухе нужны большие расстояния киллометры чтобы была заметна разница.