Глаз как оптическая система дефекты зрения

• Вы уже знаете, что большую часть информации об окружающем мире мы получаем благодаря зрению. Органом зрения человека являет­ся глаз — один из самых совершенных и вместе с тем простых опти­ческих приборов. Как же устроен глаз? Почему некоторые люди плохо видят и как скорректировать их зрение? Как с особенностями чело­веческого глаза связано производство мультипликационных фильмов?

1. Знакомимся со строением глаза

Глаз человека имеет шарообразную форму (рис. 3.66). Диаметр глаз­ного яблока около 2,5 см. Снаружи глаз покрыт плотной непрозрачной обо­лочкой — склерой. Передняя часть склеры переходит в прозрачную роговую оболочку — роговицу, которая действует как собирающая линза и обеспе­чивает 75 % способности глаза преломлять свет.

Рис. 3.66. Строение глаза

С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. В передней части глаза сосудистая обо­лочка переходит в радужную оболочку, которая неодинаково окрашена у разных людей. В радужной оболочке есть круглое отверстие — зрачок. Зрачок сужается в случае усиления интенсивности света и расширяется в случае ослабления.

Способность глаза приспосабливаться к различной яркости наблюдае­мых предметов называют адаптацией.

За зрачком расположен хрусталик, который представляет собой двояко­выпуклую линзу. Хрусталик благодаря скрепленным с ним мышцам может изменять свою кривизну, а следовательно, и оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта сетчаткой — разветвлениями светочувствительного нерва. Самая чувствительная часть сетчатки расположена прямо напротив зрачка и называется желтым пятном. Место, где зрительный нерв входит в глаз, невосприимчиво к свету, поэтому получило название слепого пятна. В получении изображения так­же принимает участие стекловидное тело — прозрачная студенистая мас­са, которая заполняет пространство между хрусталиком и сетчаткой. Свет, попадающий на поверхность глаза, преломляется в роговице, хрусталике и стекловидном теле. В результате на сетчатке получается действитель­ное, перевернутое, уменьшенное изображение предмета (рис. 3.67).

Рис. 3.67. Изображение, которое получается на сетчатке глаза, — действительное, перевернутое, уменьшенное

Рис. 3.68. В спокойном состоя­нии фокус оптической системы здорового глаза расположен на сетчатке. В этом случае на сетчат­ке образуется четкое изображе­ние удаленных предметов

2. Узнаем, почему человек видит как удаленные предметы, так и расположенные рядом

Если человек имеет хорошее зрение, он видит четкими как далеко, так и близко рас­положенные предметы. Это происходит потому, что в случае изменения расстояния до предме­та хрусталик глаза изменяет свою кривизну.

• Способность хрусталика изменять свою кривиз­ну в случае изменения расстояния до рассмат­риваемого предмета, называют аккомодацией.

Если человек смотрит на довольно удален­ные предметы, в глаз попадают параллельные лучи — в этом случае глаз наиболее расслаблен. (Заметьте, что, задумавшись, человек смотрит как будто вдаль!) Чем ближе расположен пред­мет, тем сильнее напрягается глаз. Наименьшее расстояние, на котором глаз видит предмет, практически не напрягаясь, называют рассто­янием наилучшего зрения. Для людей с нор­мальным зрением это расстояние равно прибли­зительно 25 см. Именно на таком расстоянии человек с хорошим зрением читает книгу.

3. Выясняем, что такое близорукость и дальнозоркость и какие есть способы их коррекции

Чтобы лучше разобраться, что происхо­дит в оптической системе глаза в случае близо­рукости и дальнозоркости и как корректиру­ются эти недостатки зрения, представим такую ситуацию. Три человека, один из которых имеет нормальное зрение, у второго — близорукость, а у третьего — дальнозоркость, смотрят на одни и те же предметы, расположенные довольно да­леко,— например, на звезды. (В этом случае мы можем не принимать во внимание аккомода­цию, ведь глаза у всех троих расслаблены.)

У человека с нормальным зрением фокус оптической системы глаза в спокойном (нена­пряженном) состоянии расположен на сетчат­ке, т.е. параллельные лучи, попадающие в глаз, после преломления в оптической системе глаза собираются на сетчатке (рис. 3.68), и изобра­жение предметов на ней будет четким.

Иная ситуация у людей, имеющих близорукость или дальнозоркость. Близорукость — это недостаток зрения, в случае которого фокус оптической системы глаза в спокойном (нена­пряженном) состоянии расположен перед сет­чаткой (рис. 3.69, а). Это происходит потому, что в случае близорукости угол преломления светового пучка в оптической системе глаза оказывается большим, чем у человека с нор­мальным зрением. Поэтому изображение пред­метов на сетчатке будет нечетким, размытым.

Рис. 3.69 В случае близорукости в спокойном состоянии глаза фокус F оптической системы глаза расположен перед сетчат­кой (о). Изображение удаленных предметов на сетчатке получа­ется нечетким. Для коррекции близорукости используют очки с рассеивающими линзами (б)

Расстояние наилучшего зрения в случае близорукости меньше 25 см. Именно поэтому близорукий человек, чтобы рассмотреть пред­мет в руках, подносит его близко к глазам. Близорукость корректируется ношением очков с рассеивающими линзами (рис. 3.69, б).

Дальнозоркость — это недостаток зрения, в случае которого фокус оптической системы глаза в спокойном (ненапряженном) состоянии расположен за сетчаткой (рис. 3.70, а). Это про­исходит потому, что в случае дальнозоркости угол преломления светового пучка в оптической сис­теме глаза оказывается меньшим, чем у человека с нормальным зрением. Изображение предметов на сетчатке также будет нечетким, размытым.

Расстояние наилучшего зрения в случае даль­нозоркости больше, чем 25 см, поэтому, рассматривая предмет в руках, человек отодвигает его от глаз. Дальнозоркость корректируется ношением очков с собирающими линзами (рис. 3.70, б).

Рис. 3.70. В случае дальнозоркос­ти в спокойном состоянии глаза фокус F оптической системы глаза расположен за сетчаткой (о). Изоб­ражение удаленных предметов на сетчатке получается нечетким. Для коррекции дальнозоркости используют собирающие линзы (б)

4. Знакомимся с инерцией зрения

Если быстро перемещать в темноте «бенгальский огонь», то наблюда­тель увидит светящиеся фигуры, образованные «огневым контуром». Раз­ноцветные лампочки карусели во время быстрого вращения, сливаясь, об­разуют кольца. Наши глаза все время мигают, а поскольку эти движения довольно быстрые, мы не замечаем, что на определенный промежуток вре­мени предмет, на который мы смотрим, становится невидимым.

Все эти явления можно объяснить так называемой инерцией зрения. Суть в том, что после того как изображение предмета исчезает с сетчатки глаза (предмет убирают, перестают его освещать, заслоняют непрозрачным экраном и т. п.), зрительный образ, вызванный этим предметом, сохраняет­ся на протяжении 0,1 с.

Зрительную инерцию широко используют в анимационном кино. Кар­тинки на экране очень быстро (24 раза в секунду) сменяют друг друга, во время их смены экран не освещается, но зри­тель этого не замечает — он просто видит ряд чередующихся картинок. Таким образом на эк­ране создается иллюзия движения. (А теперь представьте, сколько картинок нужно нарисо­вать художникам, чтобы получить полнометражный мультипликационный фильм!)

На инерции зрения также базируется при­менение стробоскопа. (Стробоскоп представля­ет собой источник света, излучающий световые вспышки через определенные, очень малые промежутки времени.) Во время фотографиро­вания объектов, освещеннных стробоскопом, мы получаем стробоскопические фотографии (рис. 3.71).

Рис. 3.71 Стробоскопическая фотография гимнаста, выполняю­щего упражнения на перекладине

С точки зрения физики, глаз представляет собой оптическую систе­му, основными элементами которой являются роговица, хрусталик и стек­ловидное тело.

В результате преломления света в этой оптической системе на светочувст­вительной поверхности глазного дна — сетчатке — образуется уменьшен­ное, действительное, перевернутое изображение предмета.

Если оптическая система глаза собирает лучи перед сетчаткой, то изоб­ражение предмета на сетчатке будет размытым — такой дефект зрения называется близорукостью. Близорукость корректируют ношением очков с рассеивающими линзами.

Если оптическая система глаза слабо преломляет лучи, то продолжения лучей пересекаются за сетчаткой — такой дефект зрения называется даль­нозоркостью. Дальнозоркость корректируют ношением очков с собирающи­ми линзами.

После того как изображение предмета исчезает с сетчатки глаза, зри­тельный образ, вызванный этим предметом, сохраняется в сознании челове­ка на протяжении 0,1 с. Это свойство называют инерцией зрения.

1. Опишите строение человеческого глаза и назначение отдельных его элементов.

2. Какие характеристики имеет изображение, возникаю­щее на сетчатке глаза?

3. Как изменяется диаметр зрачка в случае уменьшения освещенности?

4. Почему человек с нормальным зрением может одинаково четко видеть как далеко, так и близко расположенные предметы?

5. Чему равно расстояние наилучшего зрения для челове­ка с нормальным зрением?

6. Какой дефект зрения называется близо­рукостью? Как его можно скорректировать?

7. Какой дефект зрения называется дальнозоркостью? Как его можно скорректировать?

8. Ка­кое свойство зрения называют инерцией зрения?

1. Почему кривизна хрусталика глаза рыбы большая, чем у человека?
2. Оптическая сила нормального глаза изменяется от 58,6 до 70,6 дптр. Определите, во сколько раз изменяется при этом фокусное расстоя­ние глаза.
3. На каком минимальном расстоянии от глаза следует расположить зеркальце, чтобы увидеть четкое изображение глаза?
4. Оптическая сила линз бабушкиных очков -2,5 дптр. Каково фокус­ное расстояние этих линз? Какой дефект зрения имеет бабушка?
5. Почему, чтобы лучше видеть, близорукий человек щурит глаза?
6. Почему даже в чистой воде человек без маски плохо видит?
7. Мальчик читает книгу, держа ее на расстоянии 20 см от глаз. Опре­делите оптическую силу линз, которые необходимы мальчику для чтения на расстоянии наилучшего зрения (при условии нормально­го зрения).

1. Предложите способ, с помощью которого можно определить, какой дефект зрения (близорукость или дальнозоркость) корректируют те или иные очки. Постарайтесь найти несколько разных очков (по­просите у домашних, соседей и т. д.) и убедитесь в правильности своего способа.

2. Проверьте на опыте свойство глаза изменять диаметр зрачка в за­висимости от освещенности рассматриваемого объекта. Для наблю­дения изменений диаметра зрачка воспользуйтесь зеркалом.

В конце прошлого века ученым удалось установить, что преломление светового луча, попадающего в глаз, различно в разных точках глаза из-за того, что поверх­ность роговицы не является идеально гладкой, а хрус­талик не является однородным (см. рисунок).

Для исправления зрения была предложена методика сглаживания поверхности роговицы с помощью лазерного излучения. Однако чтобы эта технология действитель­но заработала, надо было знать, какое именно количество вещества хрусталика следует удалить в конкретном месте, т. е. было необходимо измерить реальный профиль хрусталика. Тем не менее глаз не стоит спо­койно, а следовательно, надо было сделать это измерение очень быстро (за доли секунды).

В Германии, Японии, Испании и США началось неистовое соревнование ученых и инже­неров за создание такого измерительного прибора. Однако первый в мире рейтрейсинговый аберрометр был создан коллективом украинских ученых под руководством профессо­ра Василия Молебного.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. — X.: Издательство «Ранок», 2007. — 192 с.: ил.

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.

Глаз состоит из глазного яблока диаметром 22–24 мм, покрытого непрозрачной оболочкой, склерой, а спереди — прозрачной роговицей (или роговой оболочкой). Склера и роговица защищают глаз и служат для крепления глазо-двигательных мышц.

Радужная оболочка — тонкая сосудистая пластинка, ограничивающая проходящий пучок лучей. Свет проникает в глаз через зрачок. В зависимости от освещения диаметр зрачка может изменяться от 1 до 8 мм.

Хрусталик представляет собой эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта светочувствительным слоем — сетчаткой. От сетчатки световой сигнал передается в мозг по зрительному нерву. Между сетчаткой и склерой находится сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

На сетчатке имеется желтое пятно — участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза вверх на угол около 5 градусов. Диаметр желтого пятна — около 1 мм, а соответствующее ему поле зрения глаза — 6–8 градусов.

Сетчатка покрыта светочувствительными элементами: палочками и колбочками. Палочки более чувствительны к свету, но не различают цветов и служат для сумеречного зрения. Колбочки чувствительны к цветам, но менее чувствительны к свету и поэтому служат для дневного зрения. В области желтого пятна преобладают колбочки, а палочек мало; к периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается, и остаются только палочки.

В середине желтого пятна находится центральная ямка. Дно ямки выстлано только колбочками. Диаметр центральной ямки — 0,4 мм, поле зрения — 1 градус.

В желтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва. Вне желтого пятна одно волокно зрительного нерва обслуживает группу колбочек или палочек. Поэтому в области ямки и желтого пятна глаз может различать тонкие детали, а изображение, попадающее на остальные места сетчатки, становится менее четким. Периферическая часть сетчатки служит в основном для ориентирования в пространстве.

В палочках находится пигмент родопсин, собирающийся в них в темноте и выцветающий на свету. Восприятие света палочками обусловлено химическими реакциями под действием света на родопсин. Колбочки реагируют на свет за счет реакции йодопсина.

Кроме родопсина и йодопсина на задней поверхности сетчатки имеется пигмент черного цвета. При свете этот пигмент проникает в слои сетчатки и, поглощая значительную часть световой энергии, защищает палочки и колбочки от сильного светового воздействия.

На месте ствола зрительного нерва располагается слепое пятно. Этот участок сетчатки не чувствителен к свету. Диаметр слепого пятна — 1,88 мм, что соответствует полю зрения 6 градусов. Это значит, что человек с расстояния 1 м может не увидеть предмета диаметром 10 см, если его изображение проектируется на слепое пятно.

Оптическая система глаза

Оптическая система глаза состоит из роговицы, водянистой влаги, хрусталика и стекловидного тела. Преломление света в глазе происходит, главным образом, на роговице и поверхностях хрусталика.

Свет от наблюдаемого предмета проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на сетчатке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое).

Показатель преломления стекловидного тела больше единицы, поэтому фокусные расстояния глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Оптическая сила глаза (в диоптриях) вычисляется как обратное заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах. Оптическая сила глаза зависит от того, находится ли он в состоянии покоя (58 диоптрий для нормального глаза) или в состоянии наибольшей аккомодации (70 диоптрий).

Аккомодация — это способность глаза четко различать предметы, находящиеся на разных расстояниях. Аккомодация происходит за счет изменения кривизны хрусталика при натяжении или расслаблении мышц ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается, и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы кривизна хрусталика увеличивается под действием упругих сил.

В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.

При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см.

Разность обратных величин расстояний между ближней и дальней точкой называют диапазоном аккомодации глаза (измеряется в диоптриях).

С возрастом способность глаза к аккомодации уменьшается. В возрасте 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 диоптрий), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2,5 диоптрии), а к 60 годам уходит на бесконечность, то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дальнозоркостью или пресбиопией.

Расстояние наилучшего зрения — это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. При нормальном зрении оно составляет в среднем 25–30 см.

Приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности называется адаптацией. Адаптация происходит за счет изменения диаметра отверстия зрачка, перемещения черного пигмента в слоях сетчатки и различной реакцией на свет палочек и колбочек. Сокращение зрачка происходит за 5 секунд, а его полное расширение — за 5 минут.

Темновая адаптация происходит при переходе от больших яркостей к малым. При ярком свете работают колбочки, палочки же «ослеплены», родопсин выцвел, черный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света. При резком снижении яркости отверстие зрачка раскрывается, пропуская больший световой поток. Затем из сетчатки уходит черный пигмент, родопсин восстанавливается, и когда его становится достаточно, начинают функционировать палочки. Так как колбочки не чувствительны к слабым яркостям, то сначала глаз ничего не различает. Чувствительность глаза достигает максимального значения через 50–60 минут пребывания в темноте.

Световая адаптация — это процесс приспособления глаза при переходе от малых яркостей к большим. Сначала палочки сильно раздражены, «ослеплены» из-за быстрого разложения родопсина. Колбочки, не защищенные еще зернами черного пигмента, также раздражены слишком сильно. Через 8–10 минут чувство ослепления прекращается, и глаз снова видит.

Поле зрения глаза достаточно широкое (125 градусов по вертикали и 150 градусов по горизонтали), но для ясного различения используется только его малая часть. Поле наиболее совершенного зрения (соответствующее центральной ямке) — около 1–1,5°, удовлетворительного (в области всего желтого пятна) — около 8° по горизонтали и 6° по вертикали. Вся остальная часть поля зрения служит для грубого ориентирования в пространстве. Для обозрения окружающего пространства глазу приходится совершать непрерывное вращательное движение в своей орбите в пределах 45–50°. Это вращение приводит изображения различных предметов на центральную ямку и дает возможность рассмотреть их детально. Движения глаза совершаются без участия сознания и, как правило, не замечаются человеком.

Угловой предел разрешения глаза — это минимальный угол, при котором глаз наблюдает раздельно две светящиеся точки. Угловой предел разрешения глаза составляет около 1 минуты и зависит от контраста предметов, освещенности, диаметра зрачка и длины волны света. Кроме того, предел разрешения увеличивается при удалении изображения от центральной ямки и при наличии дефектов зрения.

Дефекты зрения и их коррекция

При нормальном зрении дальняя точка глаза бесконечно удалена. Это означает, что фокусное расстояние расслабленного глаза равно длине оси глаза, и изображение попадает точно на сетчатку в области центральной ямки.

Такой глаз хорошо различает предметы вдали, а при достаточной аккомодации — и вблизи.

Близорукость

При близорукости лучи от бесконечно удаленного предмета фокусируются перед сетчаткой, поэтому на сетчатке формируется размытое изображение.

Чаще всего это происходит из-за удлинения (деформации) глазного яблока. Реже близорукость возникает при нормальной длине глаза (около 24 мм) из-за слишком большой оптической силы оптической системы глаза (более 60 диоптрий).

В обоих случаях изображение от удаленных предметов находится внутри глаза, а не на сетчатке. На сетчатку попадает только фокус от близко расположенных к глазу предметов, то есть дальняя точка глаза находится на конечном расстоянии перед ним.

Дальняя точка глаза

Близорукость корректируется при помощи отрицательных линз, которые строят изображение бесконечно удаленной точки в дальней точке глаза.

Дальняя точка глаза

Близорукость чаще всего появляется в детском и подростковом возрасте, причем по мере роста глазного яблока в длину близорукость увеличивается. Истинной близорукости, как правило, предшествует так называемая ложная близорукость — следствие спазма аккомодации. В этом случае можно восстановить нормальное зрение при помощи средств, расширяющих зрачок и снимающих напряжение ресничной мышцы.

Дальнозоркость

При дальнозоркости лучи от бесконечно удаленного предмета фокусируются за сетчаткой.

Дальнозоркость вызывается слабой оптической силой глаза для данной длины глазного яблока: либо короткий глаз при нормальной оптической силе, либо малая оптическая сила глаза при нормальной длине.

Чтобы сфокусировать изображение на сетчатке, приходится все время напрягать мышцы ресничного тела. Чем ближе предметы к глазу, тем все дальше за сетчатку уходит их изображение и тем больше требуется усилий мышц глаза.

Дальняя точка дальнозоркого глаза находится за сетчаткой, т. е. в расслабленном состоянии он может четко увидеть лишь предмет, который находится позади него.

Дальняя точка глаза

Конечно, поместить предмет за глаз нельзя, но можно спроецировать туда его изображение при помощи положительных линз.

Дальняя точка глаза

При небольшой дальнозоркости зрение вдаль и вблизи хорошее, но могут быть жалобы на быструю утомляемость и головную боль при работе. При средней степени дальнозоркости зрение вдаль остается хорошим, а вблизи затруднено. При высокой дальнозоркости плохим становится зрение и вдаль, и вблизи, так как исчерпаны все возможности глаза фокусировать на сетчатке изображение даже далеко расположенных предметов.

У новорожденного глаз немного сдавлен в горизонтальном направлении, поэтому у глаза есть небольшая дальнозоркость, которая проходит по мере роста глазного яблока.

Аметропия (близорукость или дальнозоркость) глаза выражается в диоптриях как величина, обратная расстоянию от поверхности глаза до дальней точки, выраженной в метрах.

Оптическая сила линзы, необходимая для коррекции близорукости или дальнозоркости, зависит от расстояния от очков до глаза. Контактные линзы располагаются вплотную к глазу, поэтому их оптическая сила равна аметропии.

Например, если при близорукости дальняя точка находится перед глазом на расстоянии 50 см, то для ее исправления нужны контактные линзы с оптической силой в −2 диоптрии.

Слабая степень аметропии считается до 3 диоптрий, средняя — от 3 до 6 диоптрий и высокая степень — выше 6 диоптрий.

Астигматизм

При астигматизме фокусные расстояния глаза различны в разных сечениях, проходящих через его оптическую ось. При астигматизме в одном глазу сочетаются эффекты близорукости, дальнозоркости и нормального зрения. Например, глаз может быть близоруким в горизонтальном сечении и дальнозорким в вертикальном сечении. Тогда на бесконечности он не сможет видеть ясно горизонтальных линий, а вертикальные будет четко различать. На близком расстоянии, наоборот, такой глаз хорошо видит вертикальные линии, а горизонтальные будут расплывчатыми.

Причина астигматизма либо в неправильной форме роговицы, либо в отклонении хрусталика от оптической оси глаза. Астигматизм чаще всего является врожденным, но может стать следствием операции или глазной травмы. Кроме дефектов зрительного восприятия, астигматизм обычно сопровождается быстрой утомляемостью глаз и головными болями. Астигматизм корректируется при помощи цилиндрических (собирательных или рассеивающих) линз в сочетании со сферическими линзами.

mozok.click

Глаз как оптическая система. Дефекты зрения и их коррекция

Орган зрения человека — глаз — одно из самых совершенных и в то же время самых простых оптических устройств. Как устроен глаз? Почему некоторые люди плохо видят и как скорректировать их зрение? С какими обенностями зрения связано производство мультипликационных фильмов? Об этом вы узнаете из данного параграфа.

Вспоминаем строение глаза

Глаз человека — это оптическая система, состоящая из нескольких оптических элементов, которые в совокупности предназначены для создания изображения.

Глаз (см. рис. 16.1) имеет форму шара диаметром примерно 2,5 см. Снаружи глаз покрыт плотной непрозрачной оболочкой — склерой. Передняя часть склеры переходит в прозрачную роговую оболочку — роговицу, которая действует как собирающая линза и вместе с глазной жидкостью обеспечивает 75 % способности глаза преломлять свет. Изнутри склера покрыта сосудистой оболочкой, которая в передней части глаза переходит в радужную оболочку — радужку. В центре радужки расположено круглое отверстие — зрачок. Зрачок сужается при увеличении освещенности и расширяется при ее ослаблении.

Способность глаза приспосабливаться к изменению освещенности называют адаптацией.

За зрачком расположен хрусталик — собирающая линза, которая благодаря скрепленным с ней мышцам может изменять свою кривизну, а значит, оптическую силу.

В создании изображения принимает участие и стекловидное тело — прозрачная студенистая масса, заполняющая пространство между хрусталиком и сетчаткой.

Свет, попадающий в глаз, преломляется в роговице, глазной жидкости, хрусталике и стекловидном теле. В результате на сетчатке образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета (рис. 16.2).

Выясняем, почему человек видит как отдаленные предметы, так и расположенные рядом

Если у человека хорошее зрение, он видит четкими как далеко, так и близко расположенные предметы. Такое возможно потому, что при изменении расстояния до предмета хрусталик изменяет свою кривизну, то есть изменяет свою оптическую силу.

Способность хрусталика изменять свою кривизну при изменении расстояния до рассматриваемого предмета называют аккомодацией.

Если человек смотрит на удаленные предметы, то лучи, исходящие от этих предметов и попадающие в глаз, практически параллельны. В этом случае глаз наиболее расслаблен (вспомните: задумавшись, мы смотрим как будто вдаль). Чем ближе расположен предмет, тем сильнее напрягается глаз (мышцы глаза увеличивают кривизну хрусталика).

Наименьшее расстояние, на котором глаз видит предмет практически не утомляясь, называют расстоянием наилучшего зрения.

Для человека с нормальным зрением расстояние наилучшего зрения — примерно 25 см (именно на таком расстоянии он держит книгу при чтении).

Узнаём об инерции зрения

Если мы будем быстро перемещать в темноте бенгальский огонь, то увидим светящиеся фигуры, образованные «огненным контуром». Во время быстрого вращения карусели ее разноцветные лампы, сливаясь, выглядят для нас как кольца. Наши глаза все время мигают, при этом мы не замечаем, что на некоторый интервал времени предмет, на который мы смотрим, становится невидимым.

Описанные явления объясняются инерцией зрения. Дело в том, что, после того как изображение предмета исчезает с сетчатки глаза (предмет перемещают, прекращают освещать, заслоняют непрозрачным экраном и т. п.), зрительный образ, вызванный этим предметом, сохраняется в течение 0,1 с.

Инерцию зрения широко используют в анимационном кино. Картинки на экране сменяются очень быстро (24 раза в секунду), и во время их смены экран не освещается, однако зритель этого не замечает, — он просто видит

ряд чередующихся картинок. Так на экране создается иллюзия движения.

Сколько картинок нужно нарисовать художнику, чтобы получить мультипликационный фильм продолжительностью всего 10 мин?

На инерции зрения также основано применение стробоскопа. (Стробоскоп представляет собой источник света, излучающий световые вспышки через малые равные интервалы времени.) При фотографировании объектов, освещенных стробоскопом, получают стробоскопические фотографии (рис. 16.3).

Узнаём о недостатках зрения и их коррекции

С точки зрения физики глаз — оптическая система, основные элементы которой — роговица, глазная жидкость, хрусталик, стекловидное тело. Свет преломляется в этой оптической системе, и в результате на сетчатке образуется уменьшенное, действительное, перевернутое изображение предмета.

После того как изображение предмета исчезает с сетчатки глаза, зрительный образ, вызванный этим предметом, хранится в сознании человека в течение 0,1 с. Это свойство называют инерцией зрения.

1. Назовите оптические элементы глаза и их функции. 2. Как реагирует зрачок на изменение освещенности? 3. Почему человек с нормальным зрением может одинаково четко видеть как далеко, так и близко расположенные предметы? 4. Что такое инерция зрения? Приведите примеры. 5. Какой недостаток зрения называют близорукостью? дальнозоркостью? Как их можно скорректировать?

1. Оптическая сила линз бабушкиных очков -2,5 дптр. Определите фокусное расстояние этих линз. Какой недостаток зрения у бабушки?

2. На каком минимальном расстоянии от глаза человек с нормальным зрением должен держать зеркальце, чтобы, не утомляясь, видеть четкое изображение глаза?

3. Почему, чтобы лучше видеть, близорукий человек щурится?

4. Почему даже в чистой воде человек без маски плохо видит?

5. Мальчик держит книгу на расстоянии 20 см от глаз. Определите оптическую силу линз, необходимых мальчику, чтобы читать книгу на расстоянии наилучшего зрения для нормального глаза.

6. Проведите аналогию между фотоаппаратом и глазом человека. Какие функции глаза выполняют разные части фотоаппарата? При необходимости обратитесь к дополнительным источникам информации.

7. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о методах профилактики дефектов зрения. Как можно исправить зрение?

Возьмите разные очки и предложите несколько способов, с помощью которых можно определить, какой недостаток зрения (близорукость или дальнозоркость) корректирует каждая пара. Проверьте, «работают» ли эти способы.

Физика и техника в Украине

Александр Теодорович Смакула (1900-1983) — выдающийся украинский физик и изобретатель. Использовав понятие квантовых осцилляторов, А. Т. Смакула смог объяснить радиационную окраску кристаллов и вывести количественное математическое соотношение, известное в науке как «формула Смакулы». Работы ученого создали предпосылки для синтеза витаминов А, В2 и др., а процесс трансформации кристаллического углерода называют теперь «инверсией Смакулы».

В 1935 г. А. Т. Смакула сделал открытие, благодаря которому его имя навсегда останется в истории мировой науки, — способ улучшения оптических устройств («просветление оптики»). Суть открытия в том, что поверхность линзы покрывают слоем специального материала толщиной 1/4 длины падающей волны (десятые доли микрометра), что значительно уменьшает отражение света от поверхности линзы и в то же время увеличивает контрастность изображения. Данное открытие получило очень широкое применение, ведь линзы являются основным элементом большинства оптических устройств (фотоаппаратов, биноклей, микроскопов и т. д.).

2000 год был объявлен ЮНЕСКО годом А. Т. Смакулы.

подводим итоги РАЗДЕЛА II «Световые явления»

1. Изучив раздел II, вы узнали, что мы видим окружающий мир благодаря тому, что тела вокруг нас отражают свет или сами являются источниками света.

2. Вы узнали о законах геометрической оптики.

законы геометрической оптики

3. Вы ознакомились с опытами И. Ньютона и выяснили, что белый свет состоит из света разных цветов. Свет разных цветов распространяется в вакууме с одинаковой скоростью (c = 3 10 8 м/с), а в среде — с разной.

4. Вы научились строить изображения в плоском зеркале и линзах.

5. Вы ознакомились с оптическими устройствами, в которых используют линзы.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ II «Световые явления»

Задания 1-8 содержат только один правильный ответ. 1. (1 балл) Какое оптическое явление иллю

стрирует фотография (рис. 1)?

а) отражение света;

б) поглощение света;

в) дисперсию света;

г) преломление света.

2. (1 балл) Какой закон подтверждается существованием солнечных и лунных затмений?

а) закон отражения света;

б) закон прямолинейного распространения света;

в) закон сохранения энергии;

г) закон преломления света.

3. (1 балл) Каким является изображение предмета в плоском зеркале?

а) увеличенным действительным; в) уменьшенным мнимым;

б) равным действительным; г) равным мнимым.

4. (1 балл) Луч света падает из воздуха на поверхность стеклянной пластины (рис. 2). На каком рисунке правильно указаны все три угла: угол падения α, угол отражения β и угол преломления γ ?

5. (2 балла) Какая точка (рис. 3) является изобра

жением светящейся точки S в плоском зеркале?

г) изображения точки S в зеркале нет.

6. (2 балла) Какова оптическая сила линзы, ход лучей в которой показан на рис. 4?

а) -0,04 дптр; в) +25 дптр;

б) +4 дптр; г) +50 дптр.

7. (2 балла) Какое у человека нарушение зрения, если он носит очки, нижняя часть которых — выпуклые стекла, а верхняя часть — плоские?

в) у человека нет нарушений зрения;

г) определить невозможно.

8. (2 балла) Во время фотографирования на объектив фотоаппарата села муха. Повлияет ли это на снимок, и если повлияет, то как?

б) на снимке будет изображение мухи;

в) снимок будет менее ярким;

г) снимок будет более ярким.

9. (3 балла) Человек приближается к зеркалу со скоростью 2 м/с. С какой скоростью к человеку приближается его отражение в зеркале?

10. (3 балла) Угол падения луча на зеркальную поверхность равен 70°. Чему равен угол между отраженным лучом и зеркальной поверхностью?

11. (3 балла) Свет падает из воздуха на поверхность прозрачного вещества под углом 45°. Определите абсолютный показатель преломления данного вещества, если преломленный пучок света распространяется под углом 60° к границе раздела сред.

12. (3 балла) Предмет расположен на расстоянии 1 м от собирающей линзы с фокусным расстоянием 0,5 м. На каком расстоянии от линзы расположено изображение предмета?

13. (3 балла) Установите соответствие между средой и скоростью распространения света в этой среде.

1 Алмаз А 1,24 · 10 8 м/с

2 Бензин Б 1,76 · 10 8 м/с

3 Лед В 2,00 · 10 8 м/с

14. (4 балла) На рис. 5 показаны главная оптическая ось КМ линзы, предмет АВ и его изображение А^. Определите тип линзы, ее фокусное расстояние и оптическую силу.

15. (4 балла,) Почему кривизна хрусталика глаза рыбы (рис. 6) больше, чем у человека?

16. (4 балла) Рассматривая марку с помощью лупы, мальчик видит ее на расстоянии наилучшего зрения увеличенной в 4 раза. На каком расстоянии от глаз мальчик держит лупу, если у него нормальное зрение, а оптическая сила лупы +15 дптр?

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Затем эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Новые приемники и источники света

Благодаря достижениям в электронике существенным образом изменились как источники, так и приемники света, стали общедоступными уникальные научные изобретения.

Расспросите ваших дедушек и бабушек о том, как делали фотографии двадцать и более лет тому назад. Оказывается, это была достаточно сложная процедура. Для вас же стало обычным, увидев интересный сюжет, навести камеру мобильного телефона, нажать соответствующую кнопку и мгновенно переслать готовое изображение друзьям.

Приведем еще пример. Об узком направленном пучке света, имеющем уникальные свойства, раньше шла речь только в фантастических произведениях. В наше время лазерный луч применяется настолько широко, что даже самые смелые фантасты прошлого века не могли себе этого представить. Так что, получается, раздел физики под названием «Оптика» безнадежно устарел и вы зря изучали раздел II учебника?

Не будем делать поспешных выводов и рассмотрим некоторые из современных оптических устройств подробнее.

Все вы, конечно, видели лазерные шоу в цирке или на эстрадных концертах: тонкие пучки света пронизывают пространство зала, быстро пролетают над головами зрителей. Захватывающее зрелище!

На рисунке представлен один из видов лазеров — газовый. Яркий светящийся «шнур» в стеклянной трубке — это не лазерный луч, а электрический разряд, подобный разряду в лампах дневного света.

Разряд служит для «накачки» рабочего тела (газа внутри стеклянной трубки). Этот процесс заключается в том, что атомы газа постепенно приобретают избыточную энергию от электрического разряда, а затем лавинообразно отдают ее в виде импульса (вспышки) света.

По названию вещества рабочего тела стали классифицировать и сами лазеры: газовые, жидкостные и наиболее удобные для бытовых целей — твердотельные лазеры.

Эстрадные шоу — далеко не единственное применение лазеров. Данные устройства широко используют в медицине, военном деле и др.

В фотоаппаратах старых конструкций устройством, фиксирующим изображение, была фотопленка. В цифровых фотоаппаратах таким устройством является пластинка, покрытая очень мелкими световыми датчиками (пикселями). Каждый из этих датчиков фиксирует «кусочек» светового потока. Чем меньше размер пикселя, тем более качественное изображение можно получить. Пластинка хорошего фотоаппарата насчитывает 18-20 млн пикселей. Количество пикселей в мобильном телефоне меньше, так как съемка — не основная функция телефона, соответственно и качество снимков хуже.

Микропроцессор фотоаппарата обрабатывает информацию от сенсоров и запоминает ее в виде отдельного файла.

История фотографии насчитывает более 180 лет. При этом и в старых фотоаппаратах, и в самых современных один из важнейших элементов — оптическая система, которая должна обеспечить четкое изображение разных объектов съемки — и вашего приятеля, стоящего совсем рядом, и гор, виднеющихся на горизонте. Так что рано сбрасывать оптику со счетов, конструкторам современных фотоаппаратов и видеокамер она еще наверняка пригодится!

Очень часто создатели современных фильмов сознательно (или из-за недостатка знаний) искажают информацию о возможностях лазеров. Приведем лишь несколько примеров.

Сколько ни дыми, все ровно не увидишь. Во многих фильмах для обнаружения охранной сигнализации герои пускают клубы дыма — и лучи лазера становятся видимыми. На самом деле изготовить лазеры, работающие в инфракрасном (невидимом для глаза) диапазоне, намного проще, чем работающие в видимом диапазоне. Именно их и используют в стандартных охранных системах. Инфракрасный луч, сколько его не задымляй, все равно остается невидимым для глаз.

Берегите глозо. Лазеры в фильмах используют для разрезания металлических препятствий (решетки, дверей сейфа и т. п.) — и это соответствует действительности. Вот только авторы фильмов часто забывают о защите героев от отраженных лучей, ведь отражение сверхмощного луча от разрезаемого металла будет тоже достаточно мощным. А значит, как минимум, следует беречь глаза!

Попробуй догони. Иногда создатели фильмов демонстрируют, что процесс распространения луча подобен полету пули. Это, конечно, не так. Скорость пули составляет несколько сотен метров в секунду, поэтому ее полет действительно может быть зарегистрирован с помощью скоростной киносъемки. А вот аналогичным образом проследить за процессом распространения луча света невозможно (напомним, что скорость света огромна — 300 000 км/с).

Ориентировочные темы проектов

1. Изготовление простейших оптических приборов и устройств.

2. Оптические иллюзии.

3. Исследование мощности и КПД искусственных источников света разных типов.

4. Вогнутые зеркала: свойства и примеры применения.

5. Оптические явления в природе.

6. Глаз и зрение.

Темы рефератов и сообщений

1. Будущее — за светодиодами.

2. Чудо фотосинтеза.

3. Миражи: как они возникают и где их можно наблюдать.

4. Зачем пешеходу на одежде светоотражающие поверхности.

Как светоотражающие поверхности используют автомобилисты.

6. Почему ночью мы почти не различаем цвета.

7. Оптическое искусство «Оп-арт» как синтез науки и искусства.

8. Нарушения зрения и методы их коррекции с помощью оптических устройств.

9. Зрительные тренажеры. Почему и как можно восстановить зрение.

10. Оптические приборы в медицине.

11. История фотографии.

12. Ультрафиолетовое очищение воды.

13. Почему мыльные пузыри разноцветные.

14. Приборы ночного видения.

15. Подзорная труба: история создания, устройство, принцип действия.

Темы экспериментальных исследований

1. Изучение законов распространения света с помощью лазерной указки.

2. Изучение законов преломления света и связанных с ними оптических эффектов. Оптические фокусы.

3. Исследование спектрального состава света с помощью призмы (воспроизведение опытов И. Ньютона).

4. Исследование преломляющих свойств собирающей и рассеивающей линз.

5. Изготовление оптических устройств (камера-обскура, калейдоскоп).

2.4. Дефекты зрения и их коррекция

Если дальняя точка глаза бесконечно удалена, то такой глаз называют нормальным или эмметропическим. При этом глаз хорошо различает предметы и вдали, и вблизи. Это означает, что оптический аппарат глаза (роговица и хрусталик) имеют фокусное расстояние, равное длине оси глаза, и фокус в этом случае попадает точно на сетчатку. При эмметропии изображение от далеко расположенных предметов фокусируется в центральной ямке сетчатки – наиболее чувствительной области воспринимающего аппарата глаза. Несовпадение дальней точки с бесконечно удаленной называют аметропией глаза.

Глазу свойственны три основных недостатка:

• миопия (близорукость), при которой лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются перед сетчаткой (рис. 2.6 а).
• гиперметропия (дальнозоркость), при которой истинный фокус лучей от бесконечно удаленного предмета лежит за сетчаткой (рис. 2.6 б).
• астигматизм, при котором преломляющая способность глаза различна в разных плоскостях, проходящих через его оптическую ось.

У новорожденного глаз немного сдавлен в горизонтальном направлении, поэтому у глаза есть небольшая дальнозоркость, которая проходит по мере роста глазного яблока.

При небольшой дальнозоркости зрение вдаль и вблизи хорошее, но могут быть жалобы на быструю утомляемость, головную боль при работе. При средней степени дальнозоркости зрение вдаль остается хорошим, а вблизи – затруднено. При высокой дальнозоркости плохим становится зрение и вдаль, и вблизи, так как исчерпаны все возможности глаза фокусировать на сетчатке изображение даже далеко расположенных предметов.

Аметропия глаза выражается в диоптриях как величина, обратная расстоянию от первой поверхности глаза до дальней точки (рис. 2.7 а), рис. 2.8 а)), выраженной в метрах:

Оптическая сила линзы, необходимая для коррекции близорукости или дальнозоркости, зависит не только от величины аметропии, но и от расстояния от очков до глаза. Контактные линзы располагаются вплотную к глазу, поэтому их оптическая сила равна аметропии.

Например, если при близорукости дальняя точка находится перед глазом на расстоянии 50 см, то , то есть для исправления такой близорукости нужны отрицательные очки с оптической силой .

Слабая степень аметропии считается до 3 диоптрий, средняя – от 3 до 6 диоптрий и высокая степень – свыше 6 диоптрий.

2.4.3. Астигматизм

Причина астигматизма лежит либо в неправильной, несферичной форме роговицы (в разных сечениях глаза, проходящих через ось, радиусы кривизны неодинаковы), либо в нецентричном по отношению к оптической оси глаза положении хрусталика. Обе причины приводят к тому, что для различных сечений глаза фокусные расстояния оказываются неодинаковыми.

При астигматизме в одном глазу сочетаются эффекты близорукости, дальнозоркости и нормального зрения. Может, например, случиться, что для вертикального сечения фокусное расстояние равно нормальному, а для горизонтального – больше нормального. Тогда глаз окажется в горизонтальном сечении близоруким и не сможет видеть ясно горизонтальных линий на бесконечности, а вертикальные будет четко различать. На близком расстоянии благодаря аккомодации глаз прекрасно различит вертикальные линии, а горизонтальные будут расплывчатыми.

Астигматизм чаще всего является врожденным, но может стать следствием операции или глазной травмы. Кроме дефектов зрительного восприятия, астигматизм обычно сопровождается быстрой утомляемостью глаз, понижением зрения и головными болями.

Исправление астигматизма возможно при помощи цилиндрических (собирательных или рассеивающих) линз. Астигматизм обычно сочетается с другими дефектами зрения – близорукостью или дальнозоркостью, поэтому астигматические очки содержат чаще всего и сферические, и цилиндрические элементы.