眼睛总是骗自己,人与眼之间的信任呢?最近中二所播出的科普轻喜剧《闹起来,费先生》得到了粉丝们的关注。还有没看的小伙伴不赶紧补补课?打开bilibili,搜索《闹起来,费先生》,现在开始还不算晚。好多朋友在后台留言让我们复刻其中的小实验,这不就大家安排上了。实验器材包括所标杯、剪刀、镜子、双面胶、白纸、铅笔、橡皮、尺子(硬纸板、打印机等替换器材)。
实验过程首先,我们来看一个简单的小例子,将一个特殊的纸片翻转并粘贴,我们在外面看到的是正方形,从镜子里面看到的是菱形。尝试换一个角度去观察它,就看到其中的奥妙所在。那么我们怎样去制作这样一个视错觉玩具呢?我们可以从一张白纸,或者借助电脑的图形工具开始:首先画出我们想要直接看到的、和想从镜子中看到的截面图形。两个图形需要是由线段组成的多边形,且要使得两者的宽度相等。
然后画一条水平线,将多边形的各个顶点投影至水平线上,然后在每个图形顶点对应的投影处分别画出两个方向倾斜45°的斜线,延长这些斜线来获得一些交点。注意每个交点都是由在截面图中处在同一水平位置的点,投影处的斜线所交汇而成。做这些交点到水平线的中垂线段,并且做辅助线延长这些线段到截面中对应的水平高度并标点,然后连接这些标点。大家可以花几秒钟思考一下这组图形像什么?
对啦,上图的黑线实际上就是我们所需柱体的俯视图,而下图是柱体的正视图。之后我们可以借助纸、笔、尺,或者打印机将我们的俯视图与主视图变成一张展开的轮廓图:将轮廓图做一个水平对称,然后在旁边预留方便粘贴的部分,就完成了所需柱体的完整展开图啦。
有了这个方法我们就可以创造各种我们想要的视错觉小玩具,而这其中也有更有意思的事可以发现:比如如果我们设想一个对称性比较高的错觉图案:在上图中我们想从两侧观测到两个形状一样但是方向相反的三角形。如果我们对调两个三角形被观测的角度,三视图会怎样变化呢?
我们发现二者如此的相似,最终的展开图也是如此:所以当我们从一个方向观测这组错觉图时,我们看到了同向向前的两个三角形:将它旋转90°再观察,便能看到两个同向向后的三角形。是不是很神奇呢?原理解说对于处在镜子同一法平面的两个点来说,我们直接观测它们和观测它们在镜子中呈的虚像时,光路图的简化版本如下:对于连接两点的边缘(橙色线段),我们从两侧看到的像的投影分别为红蓝两条线段。
而当我们把这个像投影至同一水平线时,就能看出我们制作步骤的方法来源:我们只需要确定每个端点的投影位置来确定柱边高度,是因为当两个像都是直边时,端点之间的相对位置是线性变化的,所以作为物的柱边也是在同一平面内的直线。这也是为什们我们在最开始推荐大家用多边形作为想要看到的像。如果想要看到带有曲边的像时,借助编程或者取多点做近似,也是可以实现的。
在以上的分析中我们做了平行光的近似,实际上我们的眼睛离物体与镜子都很近,会产生近大远小的透视效应,会使我们实际看到的图形有一些变形。这种变形可以用增加柱体的厚度来缓解,所以如果大家有硬纸板的话做出的效果应该会更好一些。上期回顾No.283拓扑学解密大法,(看了也不一定能学会?
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对于本期实验的投稿我们将在下期进行投票,我们将为票数最高的三位粉丝送出由重庆出版集团出版的《认识太空:从大爆炸到行星工程》一本。《认识太空:从大爆炸到行星工程》是一部揭秘和探索神秘宇宙的百科全书。从宇宙大爆炸到星系、星云、恒星、行星的诞生与演变,从罕见的凌日奇景到壮观的流星雨等自然现象,本书完整地介绍了各种天体及天文现象的主要特征,并对其背后蕴藏的复杂原理予以简洁说明。
同时,本书立足研究前沿,探讨了时空旅行、宇宙开发等主题,例如为了实现时空旅行,科学家正试图创造一种可供人类使用的虫洞;为了缓解人类的资源危机,小行星采矿计划被提上了人类的议事日程。此外本书还介绍了伽利略、哥白尼、哈勃等天文学家,美国国家航天局、欧洲空间局等国际著名空间研究组织,以及不断升级迭代的望远镜、火箭、人造卫星等天文设备,还原了人类认识和探索太空的辛路历程。
全书由硅谷工程师团队撰写,与最新的研究进展同步,从理论到实践,从过去到未来,配以丰富的科学实拍照片和示意图,为我们开启了一场跨越时空的探索之旅。投稿方式投稿时间截止到每周五晚十点。48小时没有和我们互动的用户,我们无法给您发送消息。为了防止联系不到获奖用户的现象发生,请投票最高获奖后及时联系我们。为了截取方便请尽量上传小于45秒的视频。
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