生活中“视觉暂留”现象的物理规律浅探

■张建新

人眼在观察景物时,光信号传入大脑神经,需要经过一段短暂的时间,光的作用结束后视觉形象并不立即消失,也会停留一段时间,这种视觉现象称为视觉暂留。在视觉暂留中,人眼接收到的信号在大脑里保持的时间约为0.1s,即在0.1s内前一信号在大脑里的印象仍然存在。因为视觉暂留现象的存在,所以我们在观看快速移动的物体时会产生错觉。在提倡素质教育的大环境下,高中阶段我们也会遇到涉及“视觉暂留”的问题,求解此类问题时,需要根据实际问题提炼物理模型,充分利用视觉暂留现象的条件分析处理。

背景材料1：在街头的理发店门口,我们经常可以看到“一个转动的圆筒,外表有彩色螺旋斜条纹”的广告标志,我们感觉条纹在沿竖直方向运动,但实际上条纹在竖直方向上并没有升降,这是圆筒的转动使得我们产生了错觉。

例1如图1所示,假设某店铺门口的广告圆筒上的彩色条纹是围绕在圆筒的一条宽带,相邻两圈条纹在沿圆筒轴线方向上的距离L=10cm,圆筒沿逆时针方向匀速转动(俯视),每秒转四圈,求我们感觉到的条纹升降方向和速度大小。

图1

分析：观察某一个空间位置处的彩色条纹,因为圆筒在转动,所以经过很小的时间间隔后,同一位置处不再是彩色条纹,但由于人眼的视觉暂留,人眼错认为原来的点向下移动了一小段,故会从整体上产生条纹向下移动的错觉。

解：因为圆筒沿逆时针方向每秒转四圈,所以周期T=0.25s。又有螺距L=10cm,所以条纹每秒沿竖直方向运动的距离为40cm,即速度大小为40cm/s。根据题图可知,彩色螺旋斜条纹从左下到右上,圆筒沿逆时针方向(俯视)转动,根据人眼的视觉暂留现象可知,我们感觉到的条纹的运动方向向下。

背景材料2：视觉暂留是动画、电影、电视等视觉媒体形成和传播的理论基础。动画、电影、电视实际是由一幅幅静态的画面以一定的速度播放而形成的动态的视觉效果。实验证明,如果动画、电影、电视的画面刷新率大于每秒24帧,那么人眼看到的就是连续的动态画面效果。

例2如图2所示,电视画面每隔更迭一帧,当电视屏幕上出现一辆马车匀速奔驰的情景时,观众如果注视车辆的辐条,那么往往会产生一些奇怪的视觉效果。设车轮上有八根对称分布的完全相同的辐条,请判断观众觉得车轮不动、正转或倒转时车轮转速需满足的条件。

图2

分析：电视画面每隔更迭一帧,若每过的时间,车轮的辐条位置与前一时刻的辐条位置正好重合(但不一定与同一根辐条重合),则观众觉得车轮是不动的。若每过的时间,车轮的辐条位置比前一时刻的辐条位置滞后,则观众觉得车轮是倒转的。若每过的时间,车轮的辐条位置比前一时刻的辐条位置超前,则观众觉得车轮是正转的。

解：当每过时间,车轮辐条位置与前一时刻的辐条位置重合时,车轮的角速度ω=,车轮的转速,3,…)。当时,观众觉得车轮是不动的。当n略大于对应的车轮不动状态的数值时,观众觉得车轮是正转的；当n略小于对应的车轮不动状态的数值时,观众觉得车轮是倒转的。