2014年4月23日

生活科學-視覺-正轉還是逆轉?

電風扇的葉片或飛機的螺旋槳看起來與旋轉的方向一點點的逆向轉動,這種情形在看電視或電影時常常出現。當直升機螺旋槳一開始啟動時,要克服慣性與扭力矩,會逐漸轉得越來越快,雖然一開始因為轉速變化的關係而看不清楚,但是逐漸可以看到清楚的翼面掠過的現象。

不管扇葉或翼面有幾枚,功能都是將空氣往另一方向送出,轉動的方向則是與攝影機的運作機制有關,電視、電影中那些看似連續的畫面,其實都不是連續的,即使鏡頭移動,也都是分隔的畫面。但是人的眼睛無法辨識這些連續播放但實質上是不同的畫格,而殘留的影像則將下一幅影像串聯在一起,造成連續動作的視覺效果。


以電風扇的ABC三枚翼面來說,在每畫格1/24秒的機制中,三枚各相隔120度的翼面若一開始的轉速僅能順時針旋轉90度,那麼在0秒及第1/24秒的這兩個畫面之間,翼面A可以從0度轉到90度,翼面B可以從120度轉到210度,但是人眼看到的是翼面B0秒時在120度的殘留影像與翼面A1/24秒轉到90度的明確影像接續在一起,所看到的就是翼面一點一點的逆時針旋轉。

後來轉速若能增加到順時針旋轉120度,在兩個畫格之間,翼面A可以從0度轉到120度,翼面B可以從120度轉到240度,這時看到的是翼面B的殘留影像與翼面A的明確影像重疊在一起,這時會發現翼面像是靜止的。

當馬力逐漸升溫,若轉速增至順時針旋轉150度,在兩個畫格之間,翼面A可以從0度轉到150度,翼面B可以從120度轉到270度,而眼睛所看到的是翼面B120度的殘影與翼面A150度的實像重疊在視網膜上,所看到的就是翼面一點一點的順時針旋轉。

頻率的觀念對學生來說是有點抽象的觀念,那不如用最親近他們生活的時鐘當做例子吧!台灣室內日光燈的閃爍頻率是120赫,也就是每秒可以出現120次的明滅現象。之所以為120赫,是因為台灣的交流電頻率為60赫,交電流的每個周期可以讓日光燈在升往波峰及降至波谷的波段亮起來,而在通過波峰及離開波谷的波段暗下去,因此一個完整的交流電周期等於是日光燈兩個明滅周期。


假設把日光燈的明滅週期由原本的一次1/120秒延長成一次60秒(和秒針轉一圈同步,等於是一分鐘的時間,應該很貼近生活吧!),當時鐘的秒針指在刻度12的時候是第一次觀察到,當秒針繞行一圈(也就是花費60秒)再度回到刻度12時是第二次觀察到,眼睛會看到秒針一直停留在刻度12。也就是說,日光燈明滅週期與秒針同步時,會讓我們看成是秒針沒有移動過。

接著把日光燈的明滅週期稍微縮短,假設為明滅一次需要花費50秒,所以在第二次看到秒針時,它會出現在刻度10的位置,第三次則會指在刻度8的位置,這些連續的現象看起來會讓人認知為秒針正在逆時針轉動。家裡的電風扇剛啟動和關掉時,會看到它有時是順時針轉動,有時是逆時針轉動,也是這種原因。

2014年4月18日

生活科學-視覺-神龍見首不見尾

高雄壽山動物園入口附近有這麼一根柱子,最上面的燈罩內是高速旋轉的LED燈條,藉由燈號的明滅與持續,從而展示出不同的圖文,這樣的電子產物其實一直出現在我們身邊,而且扮演傳達訊息的角色,所採用的視覺暫留現象則是現今電子資訊傳媒得以火熱延燒的科學原理。

不過看歸看,透過眼睛觀察時是一幅連續而完整的畫面,與透過手機或相機來觀察是兩回事。攝影器材基本上是以每秒30畫格的方式來拍攝獨立的畫面,也以同樣的頻率來播放動態的影像,動態的影像源自於視覺暫留,只要暫留的影像尚未消失前就補上下一張畫面的話,大腦就會將眼睛所看到的解釋成連續的畫面。

影像畫格的切換與銜接必須在1/16秒內完成才能呈現連續與動態畫面的協調感,但是當攝影器材儲存畫面紀錄時的頻率與光源頻率不同步時,就會出現拍不到的部分,就像是大家偶爾在新聞上看到的股市電視牆與傳統電腦螢幕CRT畫面一樣,都會有黑色的線條向上移動或向下移動。
透過眼睛看是完整的一條龍,但相機所拍攝的畫面卻是見首不見尾
而且每一段身體出現的時間並不一致,所以是斷斷續續的

像上圖畫面中所出現的部分圖案是某一瞬間出現的,雖然在分隔的獨立畫面中不連續,但是眼睛裡尚未消失的暫留影像加上才剛出現的新影像,組合成一幅完整的畫面。圖案還會逐漸移動, LED的明滅位置不是每一圈都相同,代表LED的發光頻率與旋轉頻率並非同步,至於圖案看起來是前進還是後退,則要看兩者的頻率差異,相關說明可參考生活科學─視覺─正轉還是逆轉?


不過對於相機而言,在每個極短的時間間隔內,所拍到的與眼睛所看到的並不相同,由於相機不像眼睛有視覺暫留的效應,所以透過攝影鏡頭觀看留存下來的畫面,就會發現畫面中所呈現的與眼睛所看到的有很大的差異。可能會發現畫面不連續,也可能會看到頻率的改變。

畫面不連續就像上面被鏡頭捕捉到的那一瞬間,所以會看到影像一段段的跳躍著出現,圖畫中有些部分會一直看得見,但相對的就會有一部分鮮少出現。而另外一種閃爍頻率的變化,肇因於畫面明滅的頻率與每秒畫格數目之間的倍數關係,使得有些部分無法拍攝到,所以會感覺到螢幕上所呈現出來的像是慢動作哦!

2014年4月14日

生活科學-生物-不同色光對生物的影響

在國中生物的考題中,曾經出現過一題是關於不同顏色的光對於植物生長速率的影響,這是必須從圖表趨勢來比較判斷的題型,裡面提到了植物在不同色光的照射下生長情形的差異,主要想測驗學生判讀的能力,並依判斷的結果選出合適的選項。

像這樣以不同顏色的光做為操縱變因,針對不同的生物去探討各種方面的影響,有的是針對綠豆生長,也有針對蚊子、蒼蠅的習性本能,更有將蟑螂生存策略作完整的研究,當然對人的影響研究也少不了,在網路上都可以查詢到很多相關資料與延伸研究。
萵苣在不同的色光照射下,生長速率及光合作用情形不同
人造光源已經成為室內水耕栽種的一部分,讓植物獲得充分的人工光照

色光已經是研究應用了嗎?在花博展覽期間,就曾經看到綠色植物在特定波長LED光源的照射下有助於光合作用與成長的設備,而不再只是使用各種波長都有的白光去照射。而且現在LED已經可以依照選用的材料不同而發出特定顏色的光,壽命與亮度也有獲得增強。 
LED光葉,利用LED補充室內植物所需光照,以延長觀賞期
另外可做增添夜間情境氣氛的照明

後來在海生館也看到了沈船區的水族箱內使用三種色光輪流照射水母,心裡便忖度著這樣的改變對於水母的收縮率、動作頻率是否有影響,後來在網路上查詢資料的時候,發現刺激種類與幅度的改變的確有影響。可惜參觀時間的限制使人無法久留,家裡也沒有水族箱可以增加養殖經驗,不過水母養殖有一定的難度,而且不是隨隨便便就可以養得活的,有興趣的夥伴可以參考這本水母繁養殖技術手冊
每隔幾秒就變換不同的色光,水母依然悠閒地游著
牠們對於不同的刺激應該也有特定偏好,需要長時間的觀察才能知曉