11 класс
§ 46. Глаз как оптическая система
Строение глаза.
Глаз человека имеет почти шарообразную форму (рис. 7.54).
Его диаметр составляет около 2,5 см. Снаружи глаз покрыт защитной оболочкой 1 белого цвета — склерой. Передняя прозрачная часть 2 склеры называется роговой оболочкой или роговицей.
C внутренней стороны к склере прилегает сосудистая оболочка 3, состоящая из сложного сплетения кровеносных сосудов, питающих глаз. Эта вторая оболочка в передней части глаза переходит в радужную оболочку 4, окрашенную у разных людей в различные цвета. В радужной оболочке имеется отверстие 5 — зрачок. В зависимости от интенсивности падающего света диаметр зрачка рефлекторно изменяется приблизительно от 2 до 8 мм. За зрачком помещается хрусталик 6 — прозрачное слоистое тело, похожее на линзу. Особая мышца 7 может в некоторых пределах менять форму хрусталика, делая его более выпуклым при рассматривании близких предметов. Между роговицей и радужной оболочкой находится водянистая жидкость 8. Остальную часть глаза до задней стенки (глазного дна) занимает прозрачное полужидкое стекловидное тело 9. Глазное дно покрыто очень сложной сетчатой оболочкой 10 (сетчаткой), представляющей собой разветвления зрительного нерва 11 c нервными окончаниями в виде палочек и колбочек. Палочки и колбочки являются светочувствительными элементами.
Зрение.
В целом оптическую систему глаза можно рассматривать как собирающую линзу с переменным фокусным расстоянием и неизменной «глубиной» (расстояние от линзы до экрана). «Экраном», на котором образуется действительное обратное изображение рассматриваемого предмета, является сетчатка. Раздражение нервных окончаний (палочек и колбочек), вызванное падающим светом, формирует у нас зрительное ощущение. Палочки и колбочки воспринимают отдельные части изображения предмета. Чем большее их число участвует в этом восприятии, тем больше подробностей мы различаем в предмете. Эти светочувствительные элементы крайне малы, и в сетчатке их очень много (около 130 млн). Чем крупнее изображение предмета на сетчатке, тем больше его деталей можно различить.
Размер изображения на сетчатке тем больше, чем больше угол, под которым глаз видит предмет (рис. 7.55). Удалённый предмет DC даёт на сетчатке изображение D'C', которое меньше, чем изображение А'В' такого же, как DC, но ближе расположенного предмета АВ.
Угол, образованный прямыми, проведёнными от краёв предмета в оптический центр глаза, называют углом зрения.
Размер угла зрения зависит от размера рассматриваемого глазом предмета и расстояния от предмета до глаза. При угле зрения, меньшем одной минуты, детали предмета глазом не различаются — предмет воспринимается как одна точка.
Аккомодация.
Опыт показывает, что глаз не может одновременно чётко видеть предметы, находящиеся от него на разных расстояниях. Если держать, например, карандаш на расстоянии 25—30 см от глаза и смотреть так, чтобы его чётко видеть, то все удалённые предметы расплываются. Наоборот, если резко видны удалённые предметы, то становится нечётким изображение карандаша. Когда изменяется расстояние d от предмета до линзы, то изменяется и расстояние f от линзы до изображения. Но расстояние от оптического центра глаза до сетчатки в глазу человека меняться не может. Хрусталик весьма эластичен; под действием специальных мышц хрусталик изменяет свою кривизну, а следовательно, и фокусное расстояние так, чтобы резкое изображение рассматриваемого предмета всегда оказывалось на сетчатке. Приспособление глаза путём изменения кривизны хрусталика к резкому видению на различных расстояниях называют аккомодацией.
Удалённую точку, наблюдение которой не требует напряжения глаза, называют дальней точкой аккомодации. Для нормального глаза аккомодация не требуется при рассматривании очень удалённых предметов. Когда предмет приближается к глазу, кривизна хрусталика возрастает. Однако увеличение кривизны хрусталика имеет предел. Нормальный глаз может длительно без особого напряжения рассматривать предметы, расположенные от него не ближе 25 см. Если предмет располагается ближе, то для его резкого видения нужно чрезмерно увеличивать кривизну хрусталика, глаз утомляется, и появляются болезненные ощущения.
Расстояние от глаза до предмета, равное 25 см, называют расстоянием наилучшего зрения.
Точку, отстоящую от глаза на расстоянии наилучшего зрения, называют ближней точкой аккомодации.
Дефекты зрения.
У многих людей глаза создают в ненапряжённом состоянии изображение удалённого предмета не на сетчатке, а перед ней (рис. 7.56, а).
Такие люди не могут чётко видеть удалённые предметы. Этот дефект зрения называют близорукостью. Близорукий человек чётко видит предмет, лишь начиная с некоторого расстояния. Дальняя точка аккомодации глаза не бесконечно удалена, соответственно меньше и расстояние наилучшего зрения. Близорукость исправляют ношением очков с рассеивающими линзами. На рисунке 7.56, б видно, что фокусное расстояние очков, прописываемых близорукому человеку, равно расстоянию от глаза до дальней точки аккомодации (точка А).
Дефект зрения, при котором изображения удалённых предметов получаются за сетчаткой (рис. 7.57, а), называют дальнозоркостью.
Дальнозоркий человек должен напрягаться уже при наблюдении далёких предметов, а при наблюдении близких — предел аккомодации будет исчерпан при расстоянии до предмета, большем 25 см. Дальнозоркость исправляют ношением очков с собирающими линзами (рис. 7.57, б).
Вопросы:
1. Как получается изображение предмета с помощью оптической системы глаза?
2. Какое изображение создаёт оптическая система глаза на сетчатке?
3. При каком угле зрения детали предмета глазом не различаются?
4. В чём заключается процесс аккомодации?
5. Чему равно расстояние наилучшего зрения?
6. Какой дефект зрения называют:
а) близорукостью;
б) дальнозоркостью?
Как эти дефекты исправляют?
Вопросы для обсуждения:
1. В темноте при быстром движении раскалённого уголька видна красная светящаяся полоса. Как это объяснить?
2. Почему дождь представляется нам в виде струй, хотя состоит из отдельных капель?
3. На рисунке 7.58 показан ход лучей в глазе человека при дальнозоркости и близорукости.
Какая схема характеризует:
а) близорукость;
б) дальнозоркость?
Очки какой оптической силы (положительной или отрицательной) нужно выбрать для исправления дальнозоркости и близорукости?
Упражнения:
1. Очки имеют оптическую силу +1,5. Какие линзы используются в этих очках? Какой дефект зрения исправляют эти очки?
2. Какой дефект зрения имеет человек, у которого расстояние наилучшего зрения равно 12,5 см? Как можно исправить этот дефект?
3. Какие очки следует прописать близорукому человеку, который может читать текст, расположенный не далее 25 см, чтобы он мог любоваться звёздами?
Это любопытно...
Из истории развития физики и техники
История изобретения очков содержит много неясных и противоречивых свидетельств. Известно о применении очков в Китае для защиты глаз от воспалительных процессов, от пыли и Солнца. Об этих очках писал итальянский купец и путешественник Марко Поло (1254—1324), совершивший в XIV в. путешествие в Китай.
Первые очки появились в XIII в. в Италии. Обрабатывая сферические, изогнутые и выпуклые поверхности и поднося их к глазам, итальянские мастера заметили оптические возможности стекла. Само слово «очки» происходит от латинского слова ocularium, означающего «прорезь для глаз в рыцарском шлеме».
Часто очки составляли одно целое с головными уборами. Так, в собрании Тауэра в Лондоне хранится рыцарский шлем с очками (рис. 7.59).
Первое время очки были предметом роскоши, поскольку изготовление прозрачных стёкол было дорогим удовольствием. Очками пользовались только образованные и наиболее состоятельные люди. Первое художественное изображение очков относится к 1352 г., когда в церкви Тревизо в Италии была создана фреска, на которой один из персонажей изображён в оправе со стёклами на переносице (рис. 7.60).
Наконец, в 1784 г. Б. Франклин изобрёл бифокальные очки, которые представляют собой два различных вида линз в одной и той же оправе.
