Все о зрении как об оптической системе глаза

2.1.1. Строение глаза

На рисунке 2.1. изображен разрез глазного яблокаи показаны основные детали глаза.

Рис. 2.1. Горизонтальный разрез правого глаза.

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г.

Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток, в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

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

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

2.1.2. Упрощенная оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело (рис. 2.2). Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Рис. 2.2. Оптическая система глаза.

Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности – роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хрусталика. Радужная оболочка определяет диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.

Оптическая система глаза чрезвычайно сложна, поэтому при расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному глазу «схематическими глазами». В таблице 2.1 приведены данные для аккомодированного и не аккомодированного глаза.

Таблица 2.1. Данные «схематического глаза».

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

где – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

2.1.3. Аккомодация

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза.

Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.

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 (рис. 2.4).

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

С возрастом способность глаза к аккомодации постепенно уменьшается. Скажем, в возрасте 20 лет для среднего глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон аккомодации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже около 40 см (диапазон аккомодации 2.5 дптр), 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.

В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см, хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным.

Оптическая система глазного яблока представляет собой несколько образований, участвующих в преломлении световых волн. Это необходимо для того, чтобы лучи, идущие от предмета, сфокусировались четко на плоскости сетчатки. В результате появляется возможность получить ясное и четкое изображение.

Строение оптической системы глаза

В состав оптической системы глаза входят следующие элементы:

При этом у всех структурных компонентов глаза имеются свои характерные особенности:

• Форма глаза не абсолютно сферична;
• В наружных отделах преломляющая сила хрусталика меньше, нежели во внутренних слоях;
• Глаза могут несколько различаться по форме и размерам.

Физиологическая роль оптической системы глаза

Основные функции, которые обеспечивает оптическая система глаза, представлены ниже:

• Необходимая степень преломления лучей;
• Фокусировка изображения и предметов строго в плоскости сетчатки;
• Создание необходимой длины оси зрения.

В результате человек может воспринимать предметы в объеме, четко и в цвете, то есть к мозговым структурам поступают сигналы о реалистичном изображении. При этом глаз способен воспринимать темное и светлое, а также цветовые показатели, то есть обладает функцией светоощущения и цветоощущения, соответственно.

Для оптической системы глаза человека присущи следующие характеристики:

1. Бинокулярность – способность воспринимать объемное изображение обоими глазами, при этом предметы не раздваиваются. Это происходит на рефлекторном уровне, один глаз выступает в качестве ведущего, второй – ведомого.
2. Стереоскопичность позволяет человеку определить приблизительное расстояние до предмета и оценить рельеф и очертания.
3. Острота зрения определяется способностью различить две точки, которые находятся друг от друга на определенном расстоянии.

Видео о строении оптической системы глаза

Симптомы поражения оптической системы глаза

Все эти состояния могут сопровождаться нижеприведенной симптоматикой:

• Затуманивание зрения;
• Снижение общей остроты зрения;
• Невозможность четко различить предметы, которые расположены вблизи или вдали;
• Двоение в глазах вследствие нарушения бинокулярности;
• Перенапряжение и головная боль;
• Повышенная утомляемость.

Методы диагностики при поражении оптической системы глаза

При оценке работы оптической системы в целом необходимо четко определить, какой из глаз является ведущим, а какой – ведомым.

Это легко определить путем простого теста. При этом необходимо смотреть сквозь отверстие в темном экране попеременно правым и левым глазом. В том случае, если глаз ведущий, то картина не перемещается. Если же глаз ведомый, то происходит смещение картинки.

Для диагностики заболеваний необходимо выполнить ряд методик:

• Визометрия необходима для определения остроты зрения. Ее можно проводить и на фоне очковой коррекции, чтобы подобрать линзы.
• Скиаскопия помогает получить объективные данные о величине рефракции.
• Автоматическая рефрактометрия.
• Офтальмометрия позволяет определить преломляющую силу роговицы.
• Пахиметрия измеряет толщину роговицы на разных участках.
• При кератоскопии врач рассматривает роговицу сквозь линзу.
• УЗИ глазного яблока.
• Фотокератотопография.
• Офтальмоскопия изучает глазное дно и сетчатую оболочку.
• Биомикроскопическое исследование.

Следует еще раз напомнить, что оптическая система глаза является важнейшей в структуре этого органа. Она позволяет получить качественное изображение на сетчатой оболочке. Это возможно за счет реализации нескольких механизмов, к которым относят бинокулярность, рефракцию, стереоскопичность и некоторые другие. При поражении хотя бы одной структуры этой сложной системы, работа ее нарушается. Поэтому так важна ранняя диагностика. Только при таком условии можно сохранить насыщенное и четкое зрение.

Заболевания оптической системы глаза

Среди заболеваний, которые приводят к поражению оптической системы, выделяют следующие:

Все о зрении как об оптической системе глаза

• 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 как оптическая система. Оптическая система глаза включает.

Орган зрения — глаз — представляет не просто оптическую систему. Это целый мир, в котором есть цвет, солнце, красивые люди. К тому же само строение глаза фантастично, настолько он сложен. Интересен вопрос о том, как устроена и что включает оптическая система. Чтобы световой луч достиг своей цели, он должен пройти четыре сложные среды. В них он преломляется и передает информацию в мозг для анализирования.

Оптическая система глаза включает роговицу, камерную влагу, хрусталик и стекловидное тело. Все они представляют линзы, созданные природой из биологических материалов. Но так как характеристики сред и волокон различные у каждого из оптических приспособлений, то и показатель преломления света будет отличаться. В норме такая особенность природных линз обеспечивает человеку идеальное зрение. Однако любые патологические или физиологические изменения, происходящие в организме, могут существенно повлиять на эту способность.

Нормальный глаз имеет форму практически правильной сферы. Различные заболевания видоизменяют его форму в горизонтальный или вертикальный эллипс, что существенно влияет на остроту и фокусировку зрения.

Оптическая система и рефракция глаза начинаются с роговицы — преломляющей линзы, которая, кроме прямого назначения, выполняет также защитную функцию для органа зрения. Можно сравнивать строение глаза с фотоаппаратом. В таком случае роговица — не что иное, как его объектив. Световые пучки преломляются на ее передней поверхности, если между ней и водянистой влагой не имеется воздуха. Такое возможно при оперативных вмешательствах.

Роговица при детальном рассмотрении состоит из пяти слоев, что способствует поддержанию постоянного уровня ее прозрачности. Здоровая линза должна быть круглой, блестящей, видимых кровеносных сосудов быть не должно.

Камерная влага

Оптическая система глаза включает в себя важнейшую биологическую среду — водянистую влагу. Это бесцветная вязкая жидкость, заполняющая собой переднюю и заднюю глазные камеры. Каждый день продуцируется новая порция внутриглазной жидкости, а отработанное количество через шлеммов канал выводится в кровоток.

Камерная влага, помимо преломляющей функции, выполняет еще и питательную, насыщая все элементы глаза аминокислотами. Затруднение выхода ее из камеры влечет развитие глаукомы.

Глаз как оптическая система снабжен преломляющим элементом, который выполняет функцию рефракции. Это хрусталик. Его можно рассматривать как самостоятельный орган, сложный по строению и важнейший по функциям.

Хрусталик имеет вид полутвердой субстанции без сосудов. Он находится сразу за радужной оболочкой и отвечает за передачу четкого отображения увиденной картинки в границы желтого пятна на сетчатку.

Хрусталик имеет несколько различных слоев и капсульную сумку, которая со временем может утолщаться и вызывать помутнение на поверхности тела.

Стекловидное тело

Оптическая система глаза включает в свой состав стекловидное тело, которое фактически ее замыкает. Оно имеет множество важных функций. Наличие оптической позволяет лучу проходить от хрусталика, который плавает в вязкой жидкости тела, до сетчатки.

И это далеко не все составляющие элементы органа зрения. Попробуем разобраться, что не входит в оптическую систему глаза.

Роговица пропускает свет. Она прозрачная. Невидимая часть наружной оболочки глаза белая, сравнима с яичным белком. Выполняет защитную и ограничительную функции.

Является частью сосудистой оболочки глаза, причем сама полностью их лишена. Это единственный элемент организма, питание которого происходит без участия кровеносной системы. В центре цветной радужной оболочки располагается зрачок, который под действием света может сужаться и расширяться. Эта особенность необходима для нормального зрения, так как обеспечивает прохождение светового луча идеального диаметра.

Цилиарное тело

Соединительное звено между задней поверхностью радужки и хориоидеей. Цилиарное тело имеет отростки, которые выполняют очень важные функции. Во-первых, они продуцируют внутриглазную жидкость, во-вторых, поддерживают хрусталик в подвешенном состоянии.

Это самый сложный, многослойный элемент органа зрения. Сетчатка — природный сенсор, который является периферийной частью анализатора. Именно здесь происходит восприятие цвета и света. Сетчатка очень тонкая и чувствительная, держится за счет эпителиальных связок, прижимаясь дополнительно стекловидным телом. Глаз как оптическая система использует сетчатку для фиксации изображения и передачи его по зрительному нерву в мозг.

Природа создала людей идеальными. В строении сетчатки различают колбочковые и палочковые клетки. Первые различают цветное изображение, а вторые отвечают за зрение в сумерках, но они значительно чувствительней. При тончайшем рассмотрении ретина состоит из 10 различных по строению слоев, причем 9 из них абсолютно прозрачные.

Оптическая система глаза включает природный проектор, преломляя световой луч и фокусируя его особым образом через хрусталик на сетчатку. Интересно, что изображение отпечатывается на ней в перевернутом виде. Все окружающее, что видит глаз, анализирует и воспроизводит область головного мозга, отвечающая за зрение. Именно там картинка переворачивается в нормальное, привычное нам, положение.

Считается, что у новорожденных другая оптическая система глаза. Особенности и свойства детского зрения отличаются неразвитостью рефракции и цветового восприятия, то есть все изображения, которые видят дети, перевернутые и обесцвеченные. Способность осознавать зрительные иллюстрации в правильной форме развивается лишь к 6-7 месяцам!

Интересные факты

Оптическая система глаза включает уникальные преломляющие инструменты, но она ничто, если не работает зрительный анализ. Интересно, что существует всего три цвета: зеленый, красный, синий. Глаз воспринимает, а мозг причудливым образом производит их анализ и выдает в виде различных тонких оттенков.

На что еще способен глаз? Очень на многое. Например, он может различить от 5 до 10 млн оттенков, но почему-то этого не делает. Ничтожное количество цвета, около 150 тонов — вот чего можно добиться долгими тренировками.

Глаз как оптическая система

Восприятие предметов внешнего мира осуществляется глазом путем анализа изображения предметов на сетчатой оболочке. В сетчатке происходит сложный фотохимический процесс, приводящий к трансформации воспринятой световой энергии в нервные импульсы. Эти импульсы проводятся по нервным волокнам к зрительным центрам коры головного мозга, где происходит их превращение в зрительное ощущение и восприятие. Далее рассматривается только первая часть процесса — формирование изображения оптической системой глаза. При этом учитываются помехи, свойственные этой системе. Данные о морфологическом строении глаза приводятся только в той степени, в какой это необходима для понимания особенностей оптической системы глаза,

Оптические элементы глаза

Оптическую систему глаза можно рассматривать как систему линз, образованных различными прозрачными тканями и волокнами. Различие «материала» этих естественных линз вызывает различие в их оптических характеристиках и в первую очередь в показателе преломления. Оптическая система глаза создает на сетчатке действительное изображение наблюдаемого объекта.

Форма нормального глаза близка к сфере. Для взрослого человека диаметр сферы глазного яблока составляет примерно 25 мм. Масса его около 78 г. При аметропии сферическая форма обычно нарушается. Переднезадний размер оси, называемый также сагиттальным, при миопии обычно превышает вертикальный и горизонтальный (или поперечный). Глаз при этом имеет уже не сферическую, а эллиптическую форму. При гиперметропии, наоборот, глаз, как правило, несколько сплющен в продольном направлении сагиттальный размер меньше вертикального и поперечного.

Прижизненное измерение переднезадней оси глаза в настоящее время не вызывает затруднений. Для этого используется эхобиометрия (метод, основанный на применении ультразвука) или рентгеновский метод. Определение этой величины важно для решения ряда диагностических задач. Необходимо оно также для определения истинного значения масштаба изображения элементов глазного дна.

Рассмотрим основные элементы оптической системы глаза с точки зрения геометрической и физической оптики.

Роговица. Диаметр роговицы взрослого человека колеблется от 10 до 12 мм. Роговица более выпукла, чем остальная поверхность глазного яблока. Радиус кривизны передней поверхности роговицы составляет в среднем 7,6—7,8 мм, задней поверхности ее — около 6,8 мм, толщина в центральной части — 0,5—0,9 мм. Форма передней поверхности роговицы отличается от сферы. Со сферой практически совпадает только центральная часть диаметром около 4 мм. Дальше от центра появляется ряд неровностей, заметно уменьшается кривизна, что дало основание считать форму роговицы близкой к эллипсоиду или другой кривой второго порядка. К вопросу о форме роговицы мы вернемся при рассмотрении аберраций глаза, так как именно форма передней поверхности роговицы, граничащей с воздухом, больше всего влияет на сферическую аберрацию глаза.

Роговица представляет собой оболочку почти равной толщины, лишь слегка утолщающуюся к периферии.

Это означает, что изолированная роговица работает как слабая отрицательная (рассеивающая) линза, что на первый взгляд кажется несколько неожиданным. Как показывает расчет, преломляющая сила изолированной роговицы усредненного глаза равна: 5,48 дптр, а ее переднее и заднее фокусные расстояния f=f’ = —1825 мм. Эти цифры относятся только к изолированной роговице, окруженной с обеих сторон воздухом. В живом глазу роговица находится совсем в иных условиях. С воздухом граничит только ее передняя поверхность, задняя же соприкасается с водянистой влагой передней камеры, показатель преломления которой мало отличается от такового роговицы. Вследствие этого падающие на глаз лучи, пройдя роговицу, отклоняющую их к оптической оси, при входе в водянистую влагу почти не изменяют своего направления. В этих условиях роговица работает как сильная положительная (собирательная) линза, при этом переднее и заднее фокусные расстояния ее различаются: f = —17,055 мм, a f — 22,785 мм. Преломляющая сила роговицы как составляющей оптической системы глаза (Dp), равна 43,05 дптр. То, что переднее фокусное расстояние отрицательно, а заднее положительно, указывает, что линза действует как положительная. Изменение преломляющей силы роговицы в зависимости от граничащей с ней среды можно проиллюстрировать на примере человека, плывущего под водой. Для пловца все предметы теряют свои очертания, кажутся размытыми. Это объясняется тем, что преломляющее действие роговицы становится меньше, когда она граничит не с воздухом, показатель преломления которого равен 1, а с водой, показатель преломления которой 1,33. В результате оптическая сила глаза в воде уменьшается и изображение объекта формируется уже не на сетчатке, а позади нее. Глаз становится как бы гиперметропическим. Чтобы получить резкое изображение объекта на сетчатке, пловец при погружении в воду должен надеть очки с положительными линзами. Учитывая, что разница в показателях преломления стекла и воды невелика,, оптическая сила линз должна быть очень большой — порядка 100 дптр, т. е. фокусное расстояние 1 см.

Для понимания некоторых особенностей работы глаза, в частности его реакции на поляризованный свет, необходимо знать, что некоторые группы волокон роговицы обладают различными видами оптической анизотропии.

Хрусталик. Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с закругленными краями. У детей он бесцветен и эластичен, у взрослых более упруг, к старости становится жестким, мутноватым, приобретает желтоватый оттенок. Хрусталик образован прозрачными волокнами эпителия, более плотными в центральной части и более мягкими на периферии. В связи с этим в середине ядра показатель преломления выше, чем на периферии, на 1,5 %. Условно считается, что обе поверхности хрусталика представляют собой части правильной сферы. В действительности они ближе к кривым второго порядка; кривизна обеих поверхностей в центре больше, чем на периферии, т. е., как и у роговицы, центральная часть хрусталика почти сферическая, а по краям уплощается.

Преломляющая сила изолированного хрусталика составляет 101,8 дптр, фокусное расстояние его равно 9,8 мм. Хрусталик, находящийся в естественных условиях, окруженный водянистой влагой и стекловидным телом, имеет фокусное расстояние 69,908 мм и оптическую силу всего 19,11 дптр.

Итак, несмотря на то что изолированный хрусталик является более сильной положительной линзой, чем изолированная роговица, элементом наибольшей оптической силы в глазу человека служит роговица.

Разброс спектрального пропускания для различных глаз весьма значителен. Зависит он и от возраста. Замечено, что к старости, когда хрусталик желтеет и пропускает меньше голубого и зеленого света, объекты представляются наблюдателю более желтыми. Этим иногда объясняют изменение цветовой гаммы в картинах в зависимости от возраста художника.

Передняя и задняя камеры заполнены прозрачной водянистой влагой. Очень сходно по химическому составу с камерной влагой стекловидное тело, одинаковы и их показатели преломления.

Оболочки глаза. Общеизвестна аналогия глаза и фотоаппарата. Так же как в фотоаппарате, в глазу отделы, функция которых заключается в формировании и приеме изображения, отделены от постороннего света «кожухом» — стенками глазного яблока. Стенки эти образуются тремя оболочками: наружной — склерой,средней — сосудистой (хориоидея) и внутренней — сетчаткой, служащей светочувствительным слоем.

Однако в отличие от фотокамеры, стенки которой совершенно непрозрачны и свет попадает на светочувствительный слой пленки только через объектив, оболочки глаза пропускают на сетчатку некоторую часть света не через зрачок, а через склеру — твердую соединительную оболочку толщиной от 0,5 до 1 мм. При освещении: склеры очень ярким светом (например, при диафаноекопии) хорошо видно, как светится внутренняя поверхность глазного яблока. Этого света не хватает обычно-для офтальмоскопии, но вполне достаточно для выявления опухолей и других изменений плотности, толщины и пигментации оболочек глаза. Такое различие в прозрачности «кожуха» глаза и фотокамеры является весьма существенным при рассмотрении глаза как оптической системы. Интересно также, что малая прозрачность глазного яблока обусловлена в основном оптической плотностью не склеры, а хориоидеи.

Хориоидея — это мягкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз. Со стороны, обращенной к сетчатке, она покрыта слоем пигментного эпителия, служащего главной защитой глаза от постороннего света. Именно благодаря поглощению в пигментном эпителии внутренняя поверхность глазного яблока имеет очень малый коэффициент отражения (5—10 %). Остальная часть падающего света поглощается этим слоем. В различных участках хориоидеи пигментация неодинакова. Так, в области заднего полюса, где сосуды расположены гуще, пигментация сильнее, поэтому невооруженному глазу эта часть оболочки представляется пятнисто-коричневой. Темное пятно выделяется также в области центральной ямки. При увеличении, например при офтальмоскопии, здесь заметна мелкая пятнистость, вызываемая неодинаковой пигментацией клеток. Степень пигментации зависит от общей окраски. У брюнетов пигментация сильнее, у альбиносов она вообще отсутствует, что приводит к резкому снижению зрения, так как на изображение объекта, формируемое оптической системой глаза, накладывается яркий посторонний свет, прошедший через склеру.

Таким образом, одно из существенных отличий оптической системы глаза от фотокамеры — частичная проницаемость оболочек глаза для света, вызывающая в некоторых условиях помехи в виде вуали и снижающая контрастность основного сетчаточного изображения. Эта особенность глаза имеет и положительную сторону, она широко используется в офтальмологии для диагностики, например, при диафаноскопии, при локализации поражений на глазном дне и т. п. Пигментный эпителий имеется не у всех животных (так, например, у крокодила глазное дно белое). Следствие такого различия в строении глазного яблока становится понятным из следующего рассуждения. При отсутствии пигмента внутренняя поверхность глазного яблока светлая, т. е. обладает большим коэффициентом отражения. В результате свет, попадающий в глаз через малое отверстие — зрачок, претерпевает многократное отражение от внутренней поверхности глазного яблока, и освещенность всей его внутренней поверхности становится почти равномерной. Контрастность изображения объекта на этом светлом фоне резко снижается, восприятие ухудшается. Работа глаза, лишенного пигментного эпителия, напоминает известный в светотехнике интегрирующий шар Ульбрихта, внутренняя поверхность которого покрыта белой матовой краской. Свет, поступающий в шар через малое отверстие, претерпевает многократное отражение и коэффициент интегрального отражения доходит до 90 %. Опыт показывает, что глаз человека работает не так. При наблюдении объекта вуали не ощущается. Этому способствует наличие пигментного эпителия.

Значительное поглощение света пигментным эпителием наглядно подтверждается и при офтальмоскопии. Если освещенное офтальмоскопом поле ограничено диафрагмой, то врач видит на глазном дне пациента ярко освещенный круг на темном поле. Заметной засветки фона не наблюдается.

Реальная схема освещения глаза светом, проходящим через зрачок глаза, показана на рисунке. Падающий через зрачок и преломленный прозрачными средами глаза свет формирует изображение объекта на каком-то участке сетчатки N. При этом большая часть световой энергии, сконцентрированной в изображении, поглощается пигментом, трансформируется в нервные импульсы и превращается в зрительное ощущение. Таким образом, изображение воспринимается и анализируется высшими центрами. Однако, вследствие того что пигмент не является абсолютно черным телом, некоторая доля световой энергии (около 5—10%) диффузно отражается на неосвещенную поверхность глазного дна. Этот отраженный свет вновь поглощается пигментным эпителием, создавая слабую вуаль. Примерно 1 % света вторично отражается и вновь попадает на поверхность глазного дна. Вторичное отражение очень мало влияет на качество изображения, а дальнейшие отражения не имеют практического значения.

Таким образом, эффект засветки всей поверхности сетчатки глаза человека отраженным светом вследствие высокого коэффициента поглощения пигментного эпителия незначителен, но все же при рассмотрении работы глаза им не следует пренебрегать.

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).