Глаз как оптическая система близорукость

Гипермаркет знаний>>Физика>>Физика 7 класс>> Глаз как оптическая система

• 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

• Подводим итоги

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.

• Контрольные вопросы 

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?

• Упражнения

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).

• Экспериментальные задания

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.

• Физика и техника в Украине

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.

Содержание урока
конспект урока и опорный каркас
презентация урока
интерактивные технологии
акселеративные методы обучения

Практика
тесты, тестирование онлайн
задачи и упражнения
домашние задания
практикумы и тренинги
вопросы для дискуссий в классе

Иллюстрации
видео- и аудиоматериалы
фотографии, картинки
графики, таблицы, схемы
комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты

Дополнения
рефераты
шпаргалки
фишки для любознательных
статьи (МАН)
литература основная и дополнительная
словарь терминов

Совершенствование учебников и уроков
исправление ошибок в учебнике
замена устаревших знаний новыми

Только для учителей
календарные планы
учебные программы
методические рекомендации
обсуждения

Идеальные уроки-кейсы

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.