§ 41. Глаз как оптическая система, дефекты зрения и способы их исправления

Определения и обозначения

Глаз как оптическая система — это части глаза, которые преломляют свет и помогают получить изображение на сетчатке. Главную роль играют роговица и хрусталик: они направляют лучи так, чтобы те собрались внутри глаза. Сетчатка воспринимает изображение и превращает световые сигналы в сигналы для мозга. Понимание этой системы помогает объяснить, как мы видим и почему зрение иногда становится нечётким.

Аккомодация — способность глаза менять кривизну хрусталика для чёткого изображения предметов на разных расстояниях. Когда человек смотрит то вдаль, то на близкую книгу, мышцы глаза изменяют форму хрусталика. От этого меняется его оптическая сила и положение фокуса. Аккомодация нужна, чтобы фокус оставался на сетчатке, а изображение — чётким.

Близорукость — дефект зрения, при котором изображение удалённого предмета формируется перед сетчаткой. Поэтому человек обычно лучше различает предметы вблизи, чем вдали. Причина может быть в том, что глазное яблоко слишком длинное или оптическая сила глаза слишком велика. Для коррекции используют рассеивающую линзу, которая помогает сместить фокус к сетчатке.

Дальнозоркость — дефект зрения, при котором изображение близкого предмета формируется за сетчаткой. Из-за этого человеку трудно чётко рассматривать близко расположенные предметы. Это может быть связано с недостаточной длиной глазного яблока или слабой преломляющей способностью глаза. Дальнозоркость корректируют собирающей линзой, которая усиливает схождение лучей.

Как это устроено

Свет от предмета сначала попадает на роговицу — прозрачную переднюю часть глаза, которая заметно преломляет лучи. Затем свет проходит через зрачок и хрусталик. Хрусталик тоже преломляет лучи и помогает точно направить их на сетчатку, расположенную внутри глаза. Благодаря совместной работе роговицы и хрусталика свет от каждой точки предмета попадает на соответствующую область сетчатки.

На сетчатке получается действительное изображение: его образуют сами световые лучи, собравшиеся внутри глаза. Оно уменьшенное, потому что предметы отображаются на небольшой поверхности сетчатки, и перевёрнутое, потому что лучи от верхней и нижней частей предмета перекрещиваются. Сетчатка передаёт сигналы в мозг по нервным путям. Мозг обрабатывает их и соотносит с опытом, поэтому мы не воспринимаем окружающий мир перевёрнутым.

Чтобы видеть предметы на разных расстояниях, глаз меняет оптическую силу хрусталика. Мышцы, связанные с хрусталиком, изменяют его кривизну: более выпуклый хрусталик сильнее преломляет свет, а более плоский — слабее. Так меняется положение фокуса, то есть точки, где сходятся лучи. При аккомодации фокус перемещается так, чтобы изображение оставалось на сетчатке, а не перед ней или за ней.

При близорукости лучи от удалённого предмета после преломления в глазу сходятся перед сетчаткой. На сетчатке они уже расходятся, поэтому изображение получается нечётким. Так бывает, если глазное яблоко длиннее обычного или преломляющая сила оптической системы велика. Рассеивающая линза перед глазом немного разводит лучи, и после преломления в глазу они сходятся дальше — на сетчатке.

При дальнозоркости лучам от близкого предмета не хватает преломления, чтобы сойтись на сетчатке: фокус оказался бы за ней. Поэтому близкие предметы видны нечётко, если глаз не может компенсировать это аккомодацией. Собирающая линза перед глазом предварительно сближает лучи, и оптическая система глаза доводит их до фокуса на сетчатке. Для определения нужной коррекции и подбора очков обращаются к специалисту.

Особенности зрения и способы коррекции

Сначала определите, какой предмет виден хуже — близкий или удалённый, затем проследите, где относительно сетчатки оказывается его изображение. После этого выберите линзу, которая компенсирует смещение фокуса. Таблица показывает типичную схему коррекции, но конкретные очки подбирает специалист.

Разбор задач

Задача 1. Ученик хорошо видит текст в книге, но плохо различает надписи вдали. Определите возможный дефект зрения и назовите линзу для его коррекции.

1. Сравним, что видит ученик: близкие предметы различает хорошо, а удалённые — плохо.
2. Такое нарушение характерно для близорукости: изображение удалённого предмета образуется перед сетчаткой.
3. Чтобы фокус оказался на сетчатке, лучи перед глазом нужно немного развести. Для этого подходит рассеивающая линза.

Ответ: возможна близорукость; для её коррекции применяют рассеивающую линзу.

Задача 2. На схеме лучи от удалённого предмета после преломления в глазу сходятся перед сетчаткой. Определите дефект и объясните, как очковая линза исправит ход лучей.

1. Сначала сравним положение фокуса с сетчаткой: лучи уже сошлись до того, как достигли её.
2. Это признак близорукости, при которой удалённые предметы видны нечётко.
3. Перед глазом помещают рассеивающую линзу. Она разводит лучи до их попадания в глаз, поэтому после преломления они сходятся дальше и фокус оказывается на сетчатке.

Ответ: это близорукость. На схеме нужно показать рассеивающую линзу перед глазом и сместить точку схождения лучей с области перед сетчаткой на сетчатку.

Задача 3. Для коррекции зрения используют собирающую линзу с фокусным расстоянием 0,5 м. Найдите её оптическую силу и укажите, при каком дефекте зрения её применяют.

1. Запишем формулу оптической силы: D = 1/F, где фокусное расстояние F выражают в метрах.
2. Подставим значение: D = 1/0,5 м = 2 дптр. У собирающей линзы оптическая сила положительная.
3. Собирающая линза усиливает схождение лучей, поэтому её используют для коррекции дальнозоркости.

Ответ: оптическая сила равна 2 дптр; собирающую линзу применяют при дальнозоркости.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что линза глаза формирует на сетчатке прямое изображение. Лучи от верхней и нижней частей предмета перекрещиваются, поэтому изображение перевёрнуто. Эту ошибку допускают, ориентируясь на привычное восприятие мира, а не на ход лучей. Проверьте себя: проследите лучи от верхушки предмета и убедитесь, что они попадают на нижнюю часть сетчатки.

Близорукость и дальнозоркость легко перепутать, если запоминать только названия. Надёжнее определить, где находится изображение: перед сетчаткой при близорукости или за ней при дальнозоркости. Для проверки свяжите дефект с тем, что трудно рассматривать: при близорукости — удалённые предметы, при дальнозоркости — близкие. Положение фокуса важнее того, как звучит название нарушения.

Нельзя менять местами линзы для коррекции: близорукость исправляют рассеивающей, а дальнозоркость — собирающей. Рассеивающая линза помогает сместить фокус назад, а собирающая усиливает схождение лучей. Ошибку можно обнаружить, проверив, куда линза должна переместить фокус, чтобы он оказался на сетчатке. Не выбирайте линзу только по тому, что она «сильнее» или «слабее».

При аккомодации хрусталик не передвигается вперёд или назад — меняется его кривизна. Из-за этого меняется оптическая сила и положение фокуса. Путаница возникает потому, что при фокусировке фотоаппарата действительно могут двигаться его детали. Проверьте себя: объясните, как изменение выпуклости хрусталика меняет преломление света.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу глаза, нужно знать, как линза преломляет лучи и формирует действительное изображение. Здесь пригодятся понятия фокусного расстояния и оптической силы линзы: они помогают описать, насколько сильно преломляется свет. Те же знания применяют при изучении других оптических приборов, в которых линзы собирают и направляют лучи. Понимание хода лучей также помогает разобраться в том, как очки корректируют зрение.

Что запомнить

• Роговица и хрусталик преломляют свет, а изображение формируется на сетчатке.
• Изображение на сетчатке действительное, уменьшенное и перевёрнутое.
• Аккомодация — изменение кривизны хрусталика для чёткого зрения на разных расстояниях.
• При близорукости изображение удалённого предмета формируется перед сетчаткой.
• Близорукость корректируют рассеивающей линзой.
• При дальнозоркости изображение близкого предмета формируется за сетчаткой.
• Дальнозоркость корректируют собирающей линзой.