Глаз. Лупа - Световые волны - Оптика

Цель: рассмотреть строение глаза и приборы его вооружающие.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Решение экспериментальной задачи

Задание: определить показатель преломления.

Оборудование: внутренний сосуд калориметра, банка с водой, экран из небольшого листа фанеры, штатив, линейка миллиметровая, отрезок миллиметровой шкалы от линейки длиной около 40 мм с заостренным концом.

Рекомендации: Установку (см. рис. 72) собирают так, чтобы за краем экрана видеть только нулевое деление отрезка шкалы, находящейся на дне калориметрического стакана. Это соответствует ходу луча при отсутствии воды в стакане. После того как нальют воду до края сосуда, видно деление шкалы.

где d - диаметр алюминиевого стаканчика.

тогда окончательно имеем:

III. Изучение нового материала

Глаз - это 90 % информации.

Глаз состоит из склеры (защитная оболочка из эластичной ткани); роговицы, камеры (полость, заполненная прозрачной жидкостью), сосудистой оболочки, радужной оболочки, отверстия (зрачок диаметром от 2 до 8 мм), хрусталика (n = 1,44), мышц, изменяющих оптические свойства глаза, прозрачной студенистой массы (глазное дно), сетчатки (7 млн. колбочек, 130 млн палочек, которые реагируют на свет разной частоты неодинаково), разветвлений зрительного нерва.

Основные свойства глаза

Аккомодация - свойство глаза, обеспечивающее четное восприятие разно удаленных предметов. Изменяется главный фокус глаза от 16 до 13 мм. Оптическая сила глаза от 60 дптр до 75 дптр. Предельный угол зрения φ₀ = 1’. С приближением предмета увеличивается угол зрения φ₀, под которым мы видим две близкие точки предмета.

Адаптация - приспособленность к различным условиям освещенности: d_зp от 2 мм до 8 мм, S_зр изменяется в 16 раз.

Поле зрения. По оси ОХ 150°, по оси ОY - до 760 мм. Самая большая чувствительность λ = 555 нм (зеленый цвет).

Острота зрения - свойство глаза раздельно различать две близкие точки.

Расстояние наилучшего зрения d₀ = 250 мм. Дальние предметы глаз видит без напряжения.

Недостатки глаза

Глаз не может создать резкое изображение на сетчатке.

Оптические приборы

Лупа

Увеличить угол зрения можно используя лупу.

Микроскоп:

Так как

Дополнительный материал

Аккомодация происходит непроизвольно. Как только глаз переводится с одного предмета на другой, нарушается резкость изображения, о чем в мозг приходит сигнал. Обратный сигнал из мозга к цилиарной мышце вызывает ее сокращение или растяжение до тех пор, пока не получится резкое изображение. Точка, которую глаз видит при расслабленной цилиарной мышце, называется дальней точкой, видимой при максимальном напряжении ближней точкой.

При близорукости дальняя точка лежит на конечном расстоянии. Иногда при сильной близорукости - очень близко от глаза. Поэтому близорукие видят лучше приблизив предметы. Коррекция близорукости производится с помощью очков с вогнутыми линзами.

Дальнозоркость приводит к удалению ближней точки от глаза. Дальнозоркость обычно возникает в старческом возрасте, когда хрусталик теряет упругость. Для коррекции применяются очки с выпуклыми линзами.

Подбор очков:

Где f - глубина глаза;

d_Гл - расстояние, на которое видит глаз без очков;

d₀ = 25 см - расстояние наилучшего зрения глаза.

Близорукость и дальнозоркость могут быть исправлены с помощью хирургии по изменению формы роговицы или хрусталика.

Глаз как оптическая система

Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют собой весьма совершенную оптическую систему.

В целом глаз человека (см. рис. 74) - это шарообразное тело диаметром около 2,5 см, которое называют глазным яблоком. Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть - роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против роговицы сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы камерой с прозрачной водянистой массой. В радужной оболочке имеется круглое отверстие, называемое зрачком, диаметр которого может изменяться. Таким образом, радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещении зрачок уменьшается, а при слабом освещении - увеличивается. Внутри глазного яблока за радужной оболочкой расположен хрусталик, который представляет собой двояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около 1,4. Хрусталик окаймляет кольцевая мышца, которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку, на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталиком заполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение. Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однако деятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когда кольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке. Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряжения предметы, расположенные не ближе 6 метров от глаза. Изображение более близких предметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для получения отчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всё сильнее до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затем удерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Таким образом, «наводка на фокус» глаза человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глаза создавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстояниях от него, называют аккомодацией (от латин. «accommodatio» - приспособление). При рассматривании очень далеких предметов в глаз попадают параллельные лучи. В этом случае говорят, что глаз аккомодирован на бесконечность.

Аккомодация глаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глаз устает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается.

Глаза человека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способность глаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза, т. е. к различной степени яркости наблюдаемых объектов, называют адаптацией.

Сведение зрительных осей глаз на определенной точке называется конвергенцией. Когда предметы расположены на значительном расстоянии от человека, то при переводе взгляда с одного предмета на другой между осями глаз практически не изменяется, и человек теряет способность правильно определять положение предмета. Когда предметы находятся очень далеко, то оси глаз располагаются параллельно, и человек не может даже определить движется или нет тот предмет, на который он смотрит. Некоторую роль в определении положения тел играет и усилие кольцевой мышцы, которая сжимает хрусталик при рассматривании предметов, расположенных недалеко от человека.

Оптический измерительный прибор

Оптический измерительный прибор - средство измерения, в котором визирование (совмещение границ контролируемого предмета с визирной линией, перекрестием и т. п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы оптических измерительных приборов: приборы с оптическим принципом визирования и механическим способом отчета перемещения; приборы с оптическим способом визирования и отчета перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измерительным прибором, с оптическим способом определения перемещения точек контакта.

Из приборов первой группы распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры.

Наиболее распространенный прибор второй группы - универсальный измерительный микроскоп, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп - на поперечной.

Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерками или шкалами. Их объединяют обычно под общим названием компараторы. К этой группе приборов относятся оптиметр (оптикатор, измерительная машина, контактный интерферометр, оптический дальномер и др.).

Оптические измерительные приборы также широко распространены в геодезии (нивелир, теодолит и др.).

Теодолит - геодезический инструмент для определения направлений и измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах, топографической и маркшейдерских съемках, в строительстве и т. п.

Нивелир - геодезический инструмент для измерения превышений точек земной поверхности - нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных и т. п. работах.

В навигации широко распространён секстант - угломерный зеркально-отражательный инструмент для измерения высот небесных светил над горизонтом или углов между видимыми предметами с целью определения координат места наблюдателя. Важнейшая особенность секстанта - возможность совмещения в поле зрения наблюдателя одновременно двух предметов, между которыми измеряется угол, что позволяет пользоваться секстантом на самолёте и на корабле без заметного снижения точности даже во время качки.

Перспективным направлением в разработке новых типов оптических измерительных приборов является оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упростить отсчет показаний и визирования, и т. п.

Проблемы хорошего зрения

Представьте себе, что вы стоите на углу оживленной улице какого-нибудь американского города и что вдруг все недостатки зрения превращаются в недостатки ног; тогда более 50 % пешеходов начнут хромать или будут неспособны ходить без костылей, или вынуждены будут прибегнуть к коляскам. Если вместо улицы взять стадион колледжа, то число пострадавших будет составлять около 40 %, а на перчаточной фабрике пострадавшими окажутся 8 человек из 10. Современная цивилизация облегчила значительную часть нашего каждодневного труда и освободила нас от многих жизненных забот, но во много раз увеличила нагрузку на глаза.

Исследования показывают, что более 95 % младенцев рождается с нормальным зрением и без дефектов глаз. Но, как видно из таблицы 1, очень малый процент их достигает пожилого возраста со зрением, которое можно было бы в какой-нибудь мере считать нормальным. На зрение людей возлагается тяжелая нагрузка. В результате этого Америка быстро превращается в страну «очкариков». Несоответствие человеческого зрения в целом - один из самых серьезных дефектов современной цивилизации.

Часть перегрузки глаз объясняется тем, что человек пользуется глазами при условиях совершенно иных, чем те, при которых глаз первоначально развивался и для которых он приспосабливался. Первобытный человек пользовался своими глазами для того, чтобы смотреть вдаль при ярком солнечном свете - для охоты, рыбной ловли и для сражений. Когда солнце заходило, обязанности глаз кончались. Конечно, первобытный человек не работал целый день с предметами, расположенными вблизи глаз, и не ходил потом в панорамное кино, не смотрел телевизионные передачи в течение нескольких часов и не читал книгу далеко за полночь.

Поскольку многие недостатки глаза, по-видимому, создаются нагрузкой на них и условиями, при которых глаза выполняют работу, положение может быть значительно улучшено. Однако это требует научного подхода со стороны различных групп людей и каждого человека в отдельности. Мы, со своей стороны, должны узнать, как устроен глаз, каковы его функции, какие бывают дефекты и какие рабочие условия вызывают перегрузку. Прежде всего, начнем с изучения глаза.

Таблица 1

Приближенный процент нормального зрения среди лиц разного возраста *

Возрастная группа	Процент лиц с недостатками зрения
Новорожденные	0,5
Учащиеся средней школы	20
Учащиеся колледжа	40
40 лет	60
95 лет	95

Глаз как живая камера Обскура

Часто глаз называют живой камерой Обскурой, но как большинство аналогий и эта аналогия верна лишь частично. Глаз представляет собой бесконечно более тонкий и сложный прибор, чем самый лучший фотоаппарат, хотя в принципе они одинаковы. В фотоаппарате также имеется простая собирательная линза или система линз, действующая подобно собирательному хрусталику глаза. Чувствительная пленка в фотоаппарате соответствует чувствительности к свету сетчатой оболочки на задней стороне глаза; та и другая получают перевернутые, действительные, уменьшенные изображения. Диафрагма регулирует количество света, допускаемого в фотоаппарат; радужная оболочка регулирует количество света, входящего в глаз. В темноте зрачок или отверстие радужной оболочки может иметь диаметр почти 1 см, а на ярком свете он имеет размер булавочной головки.

---

* Данные взяты из книги М. Лекиша (Luckiesh М. Light, Vision and Seeing, N.-Y., 1944).