Art of Physics

The Canadian Association of Physicists first launched the Art of Physics Competition at their 1992 Annual Congress in Windsor, Ontario. The aim of the competition is to stimulate interest, especially among non-scientists, in some of the captivating imagery associated with physics.

2018 Art of Physics Competition

2018 Winners

Total Internal Reflection and Colour
Theory

When light is coming from a dense medium strikes the surface,
part of the light will be reflected, and part will be refracted. The normal
line perpendicular to the surface, reflects light coming off at an angle
equal to that at which it entered, while the angle for the refracted light
is larger than the incident angle. Thus, increasing the angle of
incidence, will eventually reach a point where the refracted angle is
90o, light will appear to emerge along the surface between media. If
the angle is increased further, it will cause the light to totally internally
reflect (TIR), where 100% of the light gets reflected into the denser
medium and cannot leave.
Eduard Radut
Victoria Park Collegiate Institute
North York, ON
2018 Art of Physics Competition
High School/CEGEP Individual Category, First Place

Glucomètre en lumière polarisée

Lorsqu’on observe certains affichages à cristaux liquides (ACL)
avec des lunettes de soleil polarisantes, on peut parfois observer des
patrons colorés.
Les ACL classiques sont constitués d’une fine couche de cristaux
liquides entre deux filtres polarisants croisés. Quand les cristaux subissent
une tension électrique dans l’axe de vision, ils ne polarisent plus la lumière,
alors les filtres croisés bloquent la lumière et produisent donc une zone
sombre. Par contre, sans cette tension, les cristaux se placent en hélice,
deviennent biréfringents et permettent le passage de la lumière entre les
deux filtres. Ceci est perçu dans les secteurs gris pâle à côté des
caractères ou sur tout l’écran quand l’appareil n’est pas en fonction.
En photographiant l’ACL de ce glucomètre avec un filtre polarisant
sur l’objectif, on se trouve en fait à observer la photoélasticité de la petite
plaque protectrice de plastique qui recouvre l’écran. Cette plaque se
retrouve entre deux polariseurs qui permettent de visualiser le stress
mécanique qu’elle subit. Ce stress change les propriétés réfractives et de
polarisation de la plaque, d’où cet arc-en-ciel.
Ce phénomène est la raison principale derrière l’interdiction pour
les pilotes d’avion de porter des lunettes polarisantes.
Richard Germain
Pointe-des-Cascades (QC)
Concours L’Art de la Physique 2018
Catégorie Ouvert à tous, Mention honorable

Trails of Light

This is a picture of a tram taken on a rainy night in Vienna
during my spring break vacation.
It encapsulates how light is captured by a camera over a fivesecond
exposure. There are several streaks of colored light that were
created by the tram’s sidelights and brake lights, along with the
reflection of the streetlight above. In addition, each source of light is
reflected by the wet pavement creating slightly distorted reflections. In
this photo, one can also see how long exposure is able to blur out the
body of the tram as photons from different positions reach the camera
during the five-second interval. As the sensor of the camera is more
sensitive to brighter light, the dark body of the tram appears
transparent, while the light trails stay solid.
This photo showcases both the physics concept of reflection
and refraction while also demonstrating the movement of light photons
over a period of time.
Edwin Tang
Vancouver, BC
2018 Art of Physics Competition
High School/CEGEP Individual Category, Third Place

Lightning Patterns on Wood

This photograph shows a Lichtenburg Figure forming on a piece
of wood. This repeating pattern is usually seen in lightening and
electric sparks. In this photo, a baking soda and water solution was
applied onto the surface of a piece of wood. Two iron nails were
hammered into opposite ends of the wood, and connected to a high
voltage microwave oven transformer. When the transformer was
switched on, electricity passed between the nails via the baking soda
solution. This was possible because the ions in the baking soda
dissociated in the water, allowing the solution to conduct electricity.
Although wood is generally an insulator, the high voltage caused it to
experience an electrical breakdown, allowing for current to flow
through the surface of the wood. This sudden flow of electricity, known
as an electrical discharge, caused the wood to heat up and to burn,
since electricity passing through resistance generates heat. Once the
wood started to burn, carbonized tree-like paths were created, which
spread out and moved towards the opposite iron nail. The bright
orange lines in the photo are paths of conduction for the electricity.
The final result was a magnificent fractal pattern, known as
Lichtenburg Figure.
Ching Ho Leung
Markville Secondary School
Markham, ON
2018 Art of Physics Competition
High School/CEGEP Individual Category, Second Place

The Magnetic Pick-pocketing of Electricity

2018 Art of Physics Competition
High School/CEGEP Individual Category, Honourable Mention

Nature’s Snow Globe

This is a picture of a soap bubble experiencing the extremely
cold weather in Toronto. The very low temperature causes crystals to
form on the soapy film of the bubble and expand until the bubble itself
is frozen. As the crystals grow and spread across the surface, they
swirl across the soapy film, making it look like a snow globe! This
phenomenon is caused by the imbalance in thermal energy across the
soapy film. The process starts at the bottom of the bubble, where the
soapy film goes through a rapid phase change from liquid to solid,
creating the crystals that we see in the picture. The phase change
releases latent heat which remains at the bottom of the bubble since
the film is too thin for the heat to travel elsewhere. Due to this event,
the liquid at the base of the bubble is warmer than the liquid at the top,
creating currents with the soapy film. As a result of the Marangoni
effect, liquid flows from warm to cold to transfer thermal energy. The
crystals are dragged away from the bottom of the bubble and are
carried along the currents, creating the snow globe effect.
Faizah Islam
Victoria Park Collegiate Institute
Toronto, ON
2018 Art of Physics Competition
High School/CÉGEP Class Project Category, 1st Place

Aile de Lycaenidae Polyommatinae
Thersite

Certains papillons utilisent des techniques autres que la pigmentation
pour obtenir les couleurs que nous voyons, soit l’iridescence.
Sur la photo, nous pouvons observer que les ailes sont recouvertes
de petites écailles striées de plis et enchevauchées comme des ardoises.
Leur configuration structurelle peut uniquement renvoyer certaines
longueurs d’onde dans une direction donnée, on obtient alors une couleur
structurelle.
Des interférences se produisent grâce à un empilement de couches
nanométriques, alternant chitine et air, produisant des réflexions multiples.
Ceci permet la superposition de certaines longueurs d’onde en renforçant
leur amplitude et pour d’autres longueurs d’ondes, en s’opposant, elles
finissent par s’annuler et disparaître.
L’agencement de ces nanostructures sur ces ailes rend possible le
phénomène d’iridescence: phénomène optique du changement de couleurs
d’une surface selon l’angle de l’observateur. En d’autres mots, un renvoi de
la lumière dans toutes les directions avec une longueur d’onde différente.
La couleur irisée, une nuance de l’arc-en-ciel, ici nous apparaît
violette grâce au réseau de diffraction de la lumière qui est réfléchie par les
nanostructures des écailles et de l’angle d’observation.
Yoan Beaulieu
École Secondaire Cité des Jeunes
Saint-Lazare (QC)
Concours L’Art de la Physique 2018
Catégorie projet individuel au niveau secondaire ou cégep,
Mention honorable

Papier d’emballage iridescent

Certains papiers d’emballage cadeaux ont une surface argentée
qui présente des reflets multicolores irisés variant selon les angles
d’éclairage et d’observation. Fréquemment, ces papiers sont faussement
qualifiés d’holographiques.
Cette image montre une section d’environ 2mm x 3mm d’un tel
papier photographié au microscope.
Le disque central entouré d’un anneau sont tous les deux faits
d’une mince couche métallique apposée sur du papier ou sur une pellicule
de plastique.
Bien que le disque et l’anneau soient éclairés de la même façon, on
perçoit des couleurs très différentes. L’observation au microscope permet
de voir des structures rainurées sur leur surface, mais dans des axes
différents pour le disque et l’anneau. Ces rayures très fines transforment
les surfaces métalliques en réseaux de diffraction. En présence de lumière
blanche, polychromatique, l’angle d’incidence de l’éclairage et la position de
l’observateur (dans ce cas, le microscope muni de l’appareil photo),
détermineront si les ondes d’une couleur donnée, réfléchies sur les
réseaux, s’additionneront pour produire une interférence constructive ou
s’annuleront pour produire une interférence destructive. Alors différentes
couleurs apparaitront selon l’orientation du papier et ces couleurs
structurelles seront distinctes sur les cercles et les anneaux.
Richard Germain
Pointe-des-Cascades (QC)
Concours L’Art de la Physique 2018
Catégorie Ouvert à tous, 1e Prix

“A birch curtain”

One would think that the photography displays a tree’s trunk, a
birch, with some growth rings on the side. In reality, this image taken in
the middle of summer season shows the passage of the rays of light
through a red translucent curtain behind a window. The series of curves
on the side, characterised by a variable light intensity, is the
consequence of the physics interference phenomenon, that is, the
superposition of light waves through the complex network of weaving
that characterises the fabric.
“Le rideau bouleau”

On pourrait croire que la photographie montre le profile d’un
arbre, un bouleau, avec, à son côté, des cernes de croissance
sur la section d’un arbre. En réalité, l’image prise en pleine saison
estivale représente le passage de la lumière solaire à travers des
rideaux translucides rouges derrière une fenêtre. La série de
courbes visibles sur le côté, caractérisées par une intensité lumineuse
variable, est le résultat d’un phénomène physique de l’interférence,
c’est à dire, la superposition des ondes lumineuses à travers le
complexe réseau de la trame constituant la texture du tissu.
Francesco Barletta
Saint-Tharcisius (QC)
Concours L’Art de la physique 2018
Catégorie Ouvert à tous, Mention honorable