Конспект урока: Глаз и зрение. Оптические приборы

Оптическая система глаза человека

Глаз взрослого человека имеет форму, близкую к шару диаметром около 2,5 см (рис. 1). Снаружи глаз окружён твёрдой оболочкой, называемой склерой (1). Переднюю часть этой оболочки называют роговицей (2), она прозрачна для света. Остальные части склеры имеют белый цвет и непрозрачны. Эти части называют белком. За роговицей расположена водянистая масса, а за ней — радужная оболочка (4). Её цвет определяет цвет глаза. Радужная оболочка в середине имеет отверстие — зрачок (6). В зависимости от количества света, попадающего в глаз, диаметр зрачка может изменяться. При слабом освещении он может увеличиваться до 8 мм. А при сильном уменьшаться примерно до 2 мм.

Рис. 1. Строение глаза человека: 1 — склера, 2 — роговица, 3 — сосудистая оболочка, 4 — радужная оболочка, 5 — сетчатка, 6 — зрачок, 7 — передняя камера, 8 — стекловидное тело, 9 — хрусталик, 10 — зрительный нерв

За зрачком расположено прозрачное упругое тело, имеющее вид двояковыпуклой линзы, — хрусталик (9). Хрусталик под действием мышц, прикрепляющих его к склере, может деформироваться. За хрусталиком расположено стекловидное тело (8), представляющее собой бесцветную прозрачную студенистую массу. Задняя часть склеры — глазное дно — покрыто сетчатой оболочкой — сетчаткой (5). Сетчатая оболочка состоит из тончайших волокон, являющихся разветвлением зрительного нерва (10). Каждое из этих волокон оканчивается сверхчувствительным рецептором в виде палочки или колбочки. Всего в глазу насчитывается примерно 10⁸ палочек и 7 · 10⁶ колбочек. Палочки и колбочки, реагируя на свет, посылают сигналы в головной мозг. В отличие от палочек, колбочки вырабатывают сигналы, которые зависят от цвета поступающего в глаз света. Под действием сигналов, поступающих в мозг, возникает зрительное ощущение: человек видит предметы.

Особенности человеческого зрения

Роговица, камера, заполненная водянистой жидкостью, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему глаза. Эта система представляет собой собирающую линзу. Она формирует на сетчатке действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предметов. Мы же видим предметы такими, какие они есть. Это обусловлено тем, что мозг человека в первые месяцы жизни обучается корректировать информацию от светочувствительных элементов глаза.

Однако мозг не всегда верно выполняет анализ изображения, получающегося на сетчатке. Тогда возникают иллюзии зрения: наблюдаемый предмет нам кажется отличным от того, что он представляет собой реально (рис. 2).

Рис. 2. Примеры оптических иллюзий: а) из-за смещения чёрных и белых квадратов линии кажутся кривыми; б) чёрные круги между светлыми на обоих картинках одинакового размера, а кажутся разного

Расстояние между роговицей и сетчаткой практически неизменно. В то же время человек отчётливо видит предметы, находящиеся на разных расстояниях от глаза. Это оказывается возможным потому, что оптическая сила хрусталика за счёт его деформации мышцами изменяется.

Желая детально рассмотреть предмет, человек приближает его к глазам. При этом размеры изображения на сетчатке увеличиваются, так как увеличивается угол зрения, под которым виден предмет. Следовательно, увеличивается и число светочувствительных рецепторов, которые посылают в мозг информацию о предмете.

Особенностью нашего зрения является задержка изображения (зрительного ощущения) при восприятии объектов окружающего мира. Она возникает из-за того, что для обработки информации, поступающей от зрительных рецепторов в мозг, необходимо какое-то время. Поэтому после пропадания изображения на сетчатке человек ещё примерно 0,14 с продолжает его воспринимать. Таким образом, когда мы смотрим кинофильм или телепередачу, мы не замечаем смены кадров, происходящей с частотой не менее 20 Гц. Нам кажется, что мы видим непрерывно движущийся объект.

У человека с нормальным зрением изображение очень удалённого предмета получается на сетчатке, когда мышцы, прикреплённые к хрусталику, полностью расслаблены. При этом оптическая сила глаза примерно 58 дптр. При приближении предмета для получения его чёткого изображения на сетчатке оптическая сила глаза должна увеличиваться. Это происходит за счёт аккомодации — сжатия хрусталика мышцами. Предел аккомодации, т. е. возможности сфокусировать изображение предмета на сетчатке, у человека с нормальным зрением наступает, когда расстояние до предмета уменьшается до 
12 см. При этом мышцы сжимают хрусталик наиболее сильно. В результате оптическая сила увеличивается примерно до 74 дптр. Долго рассматривать так близко расположенные предметы человек не может — мышцы глаза устают.

Наиболее комфортное для человека с нормальным зрением расстояние для рассматривания мелких деталей 25 см. Это расстояние называют расстоянием наилучшего зрения. Предмет, находящийся от глаза на таком расстоянии, человек может длительно рассматривать без напряжения. Именно такое расстояние является оптимальным при чтении и письме для человека с нормальным зрением.

Наиболее часто встречаются два дефекта зрения: близорукость и дальнозоркость.
 

У человека с нормальным зрением попадающий в глаз параллельный пучок света собирается в точке, находящейся на сетчатке, у близорукого — перед сетчаткой, а у дальнозоркого — за ней (рис. 3). Поэтому у близорукого человека расстояние наилучшего зрения меньше 25 см, а у дальнозоркого — больше 25 см.

Рис. 3. Точки пересечения лучей пучка света, попадающего в глаз человека с нормальным зрением, с близорукостью и дальнозоркостью

Для исправления этих дефектов зрения применяют линзы — очки. При близорукости, когда в ненапряжённом состоянии хрусталика оптическая сила глаза больше 58 дптр, используют очки с рассеивающими линзами. При дальнозоркости применяют очки с собирающими линзами. Очки помогают получить изображение предмета точно на сетчатке (рис. 4).

Рис. 4. Исправление дефектов зрения с помощью линз: а) близорукости; б) дальнозоркости

Оптические устройства, использующие линзы или системы линз

Рассмотрим некоторые оптические устройства, в которых используют линзы или системы линз.
 

Чтобы рассмотреть мелкие детали предмета, необходимо увеличить угол зрения, под которым виден этот предмет. В простейшем случае для этого используют 
лупу — короткофокусную собирающую линзу.
 

Лупу располагают близко к глазу, а предмет — между линзой и её фокусом, по возможности ближе к нему. При этом с помощью лупы получают увеличенное прямое мнимое изображение предмета. Это позволяет рассматривать предмет при минимальном напряжении мышц глаза.
 

Использование лупы позволяет увеличить угол зрения и, следовательно, различить мелкие детали предмета. Как это происходит, можно понять по рис. 5.

Рис. 5. Ход лучей в лупе

При рассмотрении достаточно мелких деталей (высота предмета $h$ намного меньше расстояния наилучшего зрения) угол зрения будет примерно равен 

${\alpha }_{\mathrm{л}}=\frac{h}{F_{\mathrm{л}}}$,

где $F_{л}={D^{-1}}_{л}$ — фокусное расстояние лупы, а ${D^{ }}_{л}$ — оптическая сила. Тогда угловое увеличение — отношение угла зрения ${\alpha }_{\mathrm{л}}$, получаемого с помощью лупы, к углу зрения ${\alpha }_{н}$ без неё на расстоянии наилучшего зрения $d_{н}$ — равно
 

$\frac{{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{л}}}{{\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{н}}}=\frac{d_{\mathrm{н}}}{F_{\mathrm{л}}}=d_{\mathrm{н}}·D_{\mathrm{л}}$.
 

На рисунке 6 показано устройство фотоаппарата. Для получения действительного уменьшенного изображения фотографируемого предмета в фотоаппарате используют объектив. Он представляет собой систему линз или одну собирающую линзу. При необходимости положение объектива и его оптическую силу изменяют так, чтобы изображение было чётким. Чтобы зафиксировать изображение, у задней стенки фотокамеры помещают светочувствительную плёнку или полупроводниковую матрицу. Время освещения светочувствительного элемента (время экспозиции), необходимое для получения фотографии, регулируют специальным затвором.

Рис. 6. Устройство фотоаппарата

На рисунке 7 показано устройство проекционного аппарата. Он предназначен для получения увеличенного изображения диапозитива на большом экране. Свет от источника S попадает на конденсор, который создаёт равномерное освещение диапозитива. Объектив расположен так, чтобы на экране получалось чёткое изображение.

Рис. 7. Устройство проекционного аппарата