Narządem wzroku człowieka jest oko - jedno z najdoskonalszych i jednocześnie najprostszych przyrządów optycznych. Jaka jest budowa oka? Dlaczego niektórzy ludzie widzą źle i jak skorygować ich wzrok? W jaki sposób animacja jest powiązana z osobliwościami wzroku człowieka? O tym dowiesz się w tym paragrafie.
Budowa oka
Oko człowieka jest to naturalny układ optyczny. Składa się ono z kilku elementów optycznych, przeznaczonych do odtwarzania obrazu.
Oko (patrz rys. 16.1) ma kształt zbliżony do kuli o średnicy ok. 2,5 cm i na zewnątrz jest pokryte nieprzezroczystą błoną - twardówką. Przednia część twardówki przechodzi w przezroczystą błonę rogówkę, która działa jako soczewka skupiająca i zabezpiecza 75 % zdolności oka do załamywania światła.
Od środka twardówka jest pokryta naczyniówką, która w przedniej części oka przechodzi w tęczówkę. W środku tęczówki znajduje się źrenica, która w przypadku zwiększenia oświetlenia zwęża się i rozszerza się ze zmniejszeniem oświetlenia.
Zdolność oka do przystosowywania się do różnego oświetlenia nazywamy adaptacją.
Za źrenicą znajduje się soczewka skupiająca, która dzięki połączonym z nią mięśniom, może zmieniać swoją krzywiznę, a więc zdolność skupiającą.
W tworzeniu obrazu również bierze udział ciało szkliste - przezroczysta galaretowata masa, wypełniająca przestrzeń pomiędzy soczewką i siatkówką.
Załamanie światła następuje już na rogówce, w soczewce i ciele szklistym. W wyniku czego na siatkówce - światłoczułej powierzchni oka - powstaje rzeczywisty pomniejszony odwrócony obraz przedmiotu (rys. 16.2).
Wyjaśniamy, dlaczego człowiek widzi przedmioty
Człowiek o dobrym wzroku jednakowo dobrze widzi zarówno z bliska jak i z daleka. Jest tak dlatego, że w przypadku zmiany odległości do przedmiotu soczewka oka zmienia krzywiznę, czyli zmienia swoją zdolność skupiającą.
Akomodacja - jest to zdolność soczewki oka do zmiany swojego kształtu w przypadku zmiany odległości do obserwowanego przedmiotu.
Gdy człowiek patrzy na przedmioty oddalone, do jego oka trafiają prawie równoległe promienie. W tym wypadku oko jest najbardziej osłabione. (Przypomnij sobie, zamyśliwszy się człowiek jakby patrzy w dal!) Im bliżej znajduje się przedmiot, tym bardziej wysila się oko (mięśnie oka zwiększają krzywiznę ciała szklistego).
Odległość dobrego widzenia - minimalna odległość między przedmiotem a okiem, przy której przedmiot jest ostro widziany bez wysiłku.
25 cm - to odległość dobrego widzenia dla człowieka o zdrowym wzroku. Właśnie na tej odległości taki człowiek trzyma książkę.
Zapoznamy się bezwładnością wzroku
Szybko przemieszczając w ciemności zimne ognie, obserwujemy figury świetlne. Podczas szybkiego obracania się karuzeli jej różnobarwne lampy wyglądają dla obserwatora jako jednolity pierścień. Oczy człowieka ciągle mrugają, przy tym nie zauważamy, że w pewnym momencie przedmiot, na który się patrzymy, staje się niewidoczny.
Wszystkie opisane zjawiska tłumaczymy bezwładnością wzroku. Dzieje się to dlatego, że gdy obraz przedmiotu znika z siatkówki oka (przedmiot jest zabierany, nieoświetlany, zakrywany nieprzezroczystym ekranem), obraz wzrokowy, spowodowany tym przedmiotem, zachowuje się w ciągu 0,1 s.
Bezwładność wzroku jest wykorzystywana w kinie czy w telewizji. Obraz na ekranie bardzo szybko (24 razy na sekundę) zmienia się; podczas takiej zmiany ekran
nie naświetla się, jednak widz tego nie zauważa, a po prostu widzi szereg kolejnie zmieniających się obrazów. Tak na ekranie powstaje wrażenie ruchu.
Ile obrazków należy narysować, aby powstał film animacyjny o trwałości tylko 10 min?
Wrażenie ruchu jest podstawą zastosowania stroboskopu. (Stroboskop - jest to źródło światła, które promieniuje błyski światła przez małe równe odcinki czasu). Podczas fotografowania obiektów naświetlanych stroboskopem, otrzymujemy zdjęcia stroboskopowe (rys. 16.3).
Dowiadujemy się o wadach wzroku i ich korekcji
|
Dobry wzrok |
Wady v |
rzroku |
|
krótkowzroczność |
dalekowzroczność |
|
|
Ognisko F optycznego układu oka w stanie spokoju znajduje się na siatkówce. |
Ognisko F optycznego układu oka w stanie spoczynku znajduje się przed siatkówką. |
Ognisko F optycznego układu oka w zwykłym stanie znajduje się za siatkówką. |
 |
 |
 |
|
Na siatkówce powstaje ostry obraz oddalonych przedmiotów. |
Na siatkówce powstaje nieostry obraz oddalonych przedmiotów. |
Na siatkówce powstaje nieostry obraz przedmiotów oddalonych. |
|
Odległość dobrego widzenia — ok. 25 cm. Na tej odległości człowiek o dobrym wzroku trzyma książkę. |
Odległość dobrego widzenia jest mniejsza niż 25 cm. Krótkowidz czyta książkę zbliżając ją do oczu. |
Odległość dobrego widzenia jest większa niż 25 cm. Dalekowidz czyta książkę oddalając ją od oczu. |
|
Ogniskowa zdrowego oka wynosi ok. 1,71 cm. |
Krótkowzroczność jest korygowana za pomocą okularów z soczewkami rozpraszającymi. |
Dalekowzroczność jest korygowana za pomocą okularów z soczewkami rozpraszającymi. |
 |
||
 |
 |
Podsumowanie
Z punktu widzenia fizyki oko jest układem optycznym, głównymi elementami którego jest rogówka, soczewka oka i ciało szkliste. W tym układzie optycznym załamuje się światło, w wyniku czego na siatkówce - światłoczułej powierzchni dna gałki ocznej — powstaje pomniejszony, rzeczywisty, odwrócony obraz przedmiotu.
Po zniknięciu obrazu przedmiotu z siatkówki oka, obraz wzrokowy spowodowany tym przedmiotem zachowuje się w świadomości człowieka w ciągu 0,1 s. Nazywamy to bezwładnością wzroku.
Pytania kontrolne
1. Opisz budowę oka człowieka i wymień do czego służą jego poszczególne elementy optyczne. 2. Jak zmienia się średnica źrenicy w przypadku zmniejszenia oświetlenia? 3. Dlaczego człowiek o dobrym wzroku może jednakowo ostro widzieć wszystkie przedmioty? 4. Jaką wadę wzroku nazywamy krótkowzrocznością? Jak ją korygujemy? 5. Jaką wadę wzroku nazywamy dalekowzrocznością? Jak ją korygujemy? 6. Co nazywamy bezwładnością wzroku? Podaj przykłady jej zastosowania.
Ćwiczenie nr 16
1. Zdolność skupiająca soczewek okularów babci wynosi 2,5 dptr. Wyznacz ogniskową tych soczewek. Jaką wadę wzroku ma babcia?
2. Na jakiej minimalnej odległości od oka człowieka o dobrym wzroku należy umieścić zwierciadło, aby zobaczyć ostry obraz oka?
3. Dlaczego aby lepiej widzieć krótkowidz mruży oczy?
Dlaczego nawet w czystej wodzie człowiek bez maski źle widzi?
5. Chłopczyk czyta książkę, trzymając ją na odległości 20 cm od oczu. Oblicz zdolność skupiającą soczewek niezbędnych chłopczykowi, aby czytał książkę na odległości dobrego widzenia dla zdrowego oka.
6. Przeprowadź analogię między aparatem fotograficznym i okiem człowieka. Jaką czynność oka wykonuje ta czy inna część aparatu fotograficznego. W razie potrzeby zwróć się do dodatkowych źródeł informacji.
7. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się o metodach profilaktyki chorób oczu. Jak można skorygować wzrok?
Doświadczenie
Zaproponuj kilka sposobów, za pomocą których można wyznaczyć jaką wadę wzroku (krótkowzroczność czy dalekowzroczność) korygują te lub inne okulary. Poszukaj kilka różnych okularów (u krewnych, sąsiadów, przyjaciół) i sprawdź czy „działają” zaproponowane przez ciebie sposoby.
Fizyka i technika na Ukrainie
Aleksander Smakuła (1900-1983) - wybitny ukraiński fizyk i wynalazca. Wykorzystując pojęcie oscylatorów kwantowych, A. Smakuła wyjaśnił radiacyjne zabarwienie kryształów i wyprowadził ilościowy matematyczny wzór, znany w nauce jak „wzór Smakuły". Prace uczonego były podstawą syntezy witamin A, B2 i in., a proces transformacji węgla krystalicznego jest nazywany obecnie „inwersją Smakuły”.
W 1935 r. A. Smakuła wykonał i opatentował odkrycie, dzięki któremu jego imię na zawsze pozostanie w historii nauki, - sposób polepszenia przyrządów optycznych („prześwietlenie optyki”). Sens odkrycia tkwi w tym, że powierzchnię szklanej soczewki pokrywa się specjalną warstwą błony z pewnego materiału o grubości Va długości padającej fali, co o wiele zmniejsza odbicie światła od powierzchni soczewki i jednocześnie zwiększa ostrość obrazu.
Odkrycie to było wielkim osiągnięciem, ponieważ soczewki optyczne są podstawowym elementem różnych przyrządów (aparatów fotograficznych, lornetek, optycznych przyrządów dla uzbrojenia).
UNESCO nazwało rok 2000 rokiem A. Smakuły.
PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU II „Zjawiska świetlne"
1. Badając rozdział II dowiedziałeś się, że widzimy otaczający nas świat dzięki temu, że ciała otaczające nas odbijają światło lub same są źródłami światła.
2. Dowiedziałeś się o prawach rozchodzenia się światła - prawach optyki geometrycznej.
3. Zapoznałeś się z doświadczeniami I. Newtona i zobaczyłeś, że białe światło składa się ze światła o różnych barwach. Światło o różnych barwach w próżni rozchodzi się z jednakową prędkością (c = 3108 m/sj, a w ośrodku - z różną.
4. Nauczyłeś się otrzymywać konstrukcje obrazu w zwierciadle płaskim i soczewkach.
5. Zapoznałeś się z urządzeniami optycznymi, podstawowym elementem których jest soczewka.
ZADANIA DO ROZDZIAŁU II „Zjawiska świetlne"
Zadania 1-8 zawierają tylko jedną poprawną odpowiedź.
1. (1 punkt) Jakie zjawisko optyczne ilustruje fotografia (rys. 1)?
a) odbicie światła;
b) pochłanianie światła;
c) dyspersja światła;
d) załamanie światła.
2. (1 punkt) Jakie prawo potwierdza się istnieniem zaćmienia Słońca i Księżyca?
a) prawo odbicia światła;
b) prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła;
c) prawo zachowania energii;
d) prawo załamania światła.
3. (1 punkt) Jaki obraz przedmiotu daje zwierciadło płaskie?
a) rzeczywisty powiększony;
b) rzeczywisty równy;
c) pozorny pomniejszony;
d) pozorny równy.
4. (1 punkt) Promień światła pada z powietrza na powierzchnię płytki szkla
nej (rys. 2). Na którym z podanych rysunków prawidłowo są zaznaczone wszystkie trzy kąty: kąt padania γ , kąt odbicia β i kąt załamania γ?
a) 1;
b) 2;
c) 3;
d) 4.
5. (2 punkty) Jaki punkt (rys. 2) jest obrazem punktu S w zwierciadle płaskim?
a) 1; b) 2; c) 3;
d) obraz nie powstaje.
6. (2 punkty) Ile wynosi zdolność skupiająca soczewki, bieg promieni której są pokazane na rys. 4?
a) -0,04 dptr c) +25 dptr
b) +4 dptr d) +50 dptr.
7. (2 punkty) Jaką wadę wzroku ma człowiek,
jeżeli nosi okulary, dolna część których to są szkła wypukłe, a górna część -płaskie?
a) dalekowzroczność;
b) krótkowzroczność;
c) człowiek nie ma wad wzroku;
d) nie da się określić.
8. (2 punkty) W czasie robienia zdjęć na obiektywie aparatu fotograficznego siadła mucha. Czy wpłynie to na zdjęcie, jeżeli tak, to jak?
a) w żaden sposób nie wpłynie;
b) na zdjęciu pojawi się obraz muchy;
c) zdjęcie będzie mniej ostre;
d) zdjęcie będzie bardziej ostre.
(3 punkty) Człowiek zbliża się do zwierciadła z prędkością 2 m/s. Z jaką prędkością zbliża się do człowieka jego obraz w zwierciadle?
10. (3 punkty) Kąt padania promienia na powierzchnię lustrzaną równa się 70°. Ile wynosi kąt pomiędzy promieniem odbitym i powierzchnią lustrzaną? (3 punkty) Światło pada z powietrza na powierzchnię przezroczystej substancji pod kątem 45°. Oblicz bezwzględny współczynnik załamania substancji, jeżeli światło załamane rozchodzi się pod kątem 60° do granicy podziału ośrodków.
(3 punkty) Przedmiot umieszczono na odległości 1 m od soczewki skupiającej o ogniskowej 0,5 m, na jakiej odległości od soczewki będzie obraz przedmiotu?
(3 punkty) Ustal zależność pomiędzy ośrodkiem i prędkością rozchodzenia się światła w tym ośrodku.
1 Diament
2 Benzyna
3 Lód
A 1,24 · 108 m/s B 1,76 ■ 108 m/s C 2,00 ■ 108 m/s D 2,29 · 108 m/s
14. (4 punkty) Na rys. 5 przedstawiono główną oś optyczną KM soczewki, przedmiot AB i jego obraz ΑχΒχ. Wyznacz rodzaj soczewki, jej ogniskową i zdolność skupiającą.
15. (4 punkty) Dlaczego krzywizna soczewki oka ryby (rys. 6) jest większa, niżeli u człowieka?
16. (4 punkty) Rozglądając znaczek za pomocą lupy, chłopczyk widzi go na odległości dobrego widzenia czterokrotnie powiększonego. Na jakiej odległości od oka trzyma chłopczyk lupę, jeżeli ma dobry wzrok, a zdolność skupiająca lupy wynosi +15 dptr?
Porównaj swoje odpowiedzi z odpowiedziami na końcu podręcznika. Oznacz zadania zrobione prawidłowo, oblicz sumę punktów. Następnie podziel otrzymaną sumę przez trzy. Otrzymana liczba będzie odpowiadać poziomowi twojej wiedzy.
Zadania testowe ze sprawdzeniem komputerowym znajdziesz na stronie internetowej „Interaktywne nauczanie".
Nowe odbiorniki i źródła światła
Ostatnio, dzięki postępowi w elektronice, unikalne naukowe wynalazki są ogólnie dostępne. Postęp w elektronice całkowicie zmienił zarówno źródła, jak i odbiorniki światła.
Zapytaj swoich dziadków, w jaki sposób robiono zdjęcia dwadzieścia i więcej lat temu. Okazuje się, że była to dość skomplikowana procedura. Teraz z łatwością możesz zrobić zdjęcie za pomocą kamery w telefonie komórkowym, naciskając odpowiedni przycisk i natychmiast przesyłając gotowy obraz przyjaciołom.
Podamy jeszcze jeden przykład. O wąskiej skierowanej wiązce światła o unikalnych właściwościach wcześniej wspominało się tylko w utworach fantastycznych. Obecnie promień lasera jest wykorzystywany na tak szeroką skalę, że nawet najbardziej odważny fantasta ubiegłego wieku nie wpadłby na taki pomysł. Wygląda tak, że rozdział fizyki o nazwie „Optyka” jest beznadziejnie przestarzały i rozdział II podręcznika badaliśmy na marne?
Nie wyciągajmy pospiesznych wniosków i rozpatrzmy niektóre ze współczesnych urządzeń fizycznych bardziej dokładnie.
Laser
Prawdopodobnie większość z was widziała laserowe show w cyrku lub na koncertach. Cienkie wiązki światła przenikają przestrzeń sali, szybko przelatują nad głowami widzów. Zadziwiający widok!
Na rysunku przedstawiono jeden z laserów gazowych. Jasny „sznur” światła w rurce szklanej — to nie jest promień lasera, a wyładowanie elektryczne podobne do wyładowania w świetlówkach.
Wyładowanie służy do „pompowania” ciała roboczego (gazu w środku szklanej rurki). Proces „pompowania” polega na tym, że atomy gazu stopniowo uzyskują nadmierną energię od wyładowania elektrycznego, i następnie lawinowo oddają ją w postaci impulsu (błysku) światła. Według nazwy substancji ciała roboczego rozróżniamy lasery: gazowy, cieczowy i, najbardziej wygodny w użyciu w życiu codziennym — laser z wykorzystaniem ciał stałych.
Show laserowe to nie jedyne zastosowanie lasera. Dane urządzenia są szeroko stosowane w medycynie, wojskowości itd.
Laser gazowy (LASER - skrót pochodzący od słów ang. light amplification by stimulated emission of radiation - świetlny wzmacniacz przez wymuszoną emisję promieniowania)
Cyfrowy aparat fotograficzny
Błona fotograficzna była urządzeniem fiksującym obraz w aparatach fotograficznych starego typu. W cyfrowych aparatach fotograficznych takim urządzeniem jest płytka pokryta bardzo drobnymi świetlnymi czujnikami (pikselami). Każdy z tych czujników fiksuje „kawałeczek” strumienia świetlnego. Im mniejszy jest rozmiar piksela, tym bardziej jakościowy obraz można otrzymać. Płytka dobrego aparatu fotograficznego liczy 18—20 milionów pikseli. Ilość pikseli w telefonie komórkowym jest mniejsza, ponieważ robienie zdjęć nie jest podstawą pracy takiego telefonu. Odpowiednio jakość zdjęć jest gorsza.
Mikroprocesor aparatu fotograficznego obrabia informację otrzymaną od czujników i zapamiętuje ją w postaci odrębnego pliku.
Historia fotografii liczy ponad 150 lat. Jednak zarówno w starych aparatach fotograficznych, jak i we współczesnych aparatach, jednym z najważniejszych elementów jest układ optyczny, który zapewnia ostrość różnych fotografowanych obiektów: i twego przyjaciela, stojącego obok, i dalekich gór widocznych na horyzoncie. Wygląda na to, że jeszcze za wcześnie jest odkładać optykę do lamusa, konstruktorom współczesnych aparatów fotograficznych i kamer wideo na pewno się jeszcze przyda!
A to ciekawe
Bardzo często twórcy współczesnych filmów (być może przez brak wiedzy) przeinaczają informacje o możliwościach lasera. Podamy kilka przykładów.
Ile nie puszczałbyś dymu, wszystko jedno nie zobaczysz. W wielu filmach, aby ujawnić alarm, bohaterowie puszczają kłęby dymu, wtedy promienie lasera stają się widoczne. W rzeczywistości sporządzenie laserów, pracujących w podczerwonym (nie widocznym dla oka) promieniowaniu jest łatwiejsze, niżeli tych, które pracują w świetle widzialnym. Właśnie one są wykorzystywane w standartowych alarmach ochronnych. Promień podczerwony, ile byś nie puszczał na niego dymu, wszystko jedno pozostanie niewidoczny dla oka.
Chroń oczy. W filmach lasery stosowane są do cięcia metalowych przeszkód (krat, drzwiczek sejfów) - i to odpowiada rzeczywistości. Jednak autorzy filmów często zapominają o ochronie bohaterów od promieni odbitych. Odbicie nadpotężnego promienia od ciętego metalu może być bardzo silne. Dlatego, co najmniej, chroń oczy!
Spróbuj dogonić. Czasem twórcy filmów pokazują, że proces rozchodzenia się promieni jest podobny do lotu kuli. Oczywiście, nie jest to prawdą. Prędkość kuli wynosi kilkaset metrów na sekundę. Dlatego jej lot możemy zarejestrować za pomocą szybkiego filmowania. Podobnie śledzenie procesu rozchodzenia się promienia światła (przypomnimy, że prędkość światła jest ogromna -300 000 km/s) jest niemożliwe.
Proponowane tematy projektów
1. Sporządzenie najbardziej prostego optycznego przyrządu.
2. Iluzje optyczne.
3. Badanie mocy i sprawności sztucznych źródeł światła różnego rodzaju.
4. Zwierciadła wklęsłe: właściwości i przykłady stosowania.
5. Zjawiska optyczne w przyrodzie.
6. Oko i wzrok.
Tematy referatów
1. Diody świetlne i ich przyszłość.
2. Cud fotosyntezy.
3. Miraże: jak powstają i gdzie je można obserwować.
4. W jakim celu na ubraniu pieszego umieszcza się powierzchnie odblaskowe. W jakim celu takie powierzchnie są wykorzystywane przez automobilistów.
5. Barwa i światło.
6. Dlaczego w nocy prawie nie rozróżniamy kolorów.
7. Sztuka optyczna „Op-art” jako synteza nauki i sztuki.
8. Wady wzroku i sposoby ich korygowania za pomocą urządzeń optycznych.
9. Wzrokowe ćwiczenia. Dlaczego i w jaki sposób można naprawić wzrok.
10. Przyrządy optyczne w medycynie.
11. Historia fotografii.
12. Ultrafioletowe oczyszczanie wody.
13. Dlaczego bąbelki mydlane są różnobarwne.
14. Noktowizory.
15. Luneta: historia powstania, budowa, zasada działania.
Tematy badań eksperymentalnych
1. Badanie praw rozchodzenia się światła za pomocą wskazówki laserowej.
2. Badanie praw załamania światła i związanych z nimi efektów optycznych. Sztuczki optyczne.
3. Badanie widmowej analizy światła za pomocą pryzmatu (doświadczenie I. Newtona).
4. Badanie załamujących właściwości soczewki rozpraszającej i skupiającej.
5. Sporządzenie urządzeń optycznych (ciemni optycznej (kamery ob-skury), kalejdoskopu).
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar