1. Глаз

Определения и обозначения

Глаз как оптическая система — система, в которой роговица и хрусталик преломляют свет и создают изображение на сетчатке. Она нужна для преобразования света в сигналы, по которым мозг распознаёт предметы. Главная цель этой системы — получить чёткое изображение именно на сетчатке.

Аккомодация — изменение кривизны хрусталика, позволяющее фокусировать на сетчатке изображения близких и удалённых предметов. Это объясняет, почему глаз может быстро перестраиваться при переводе взгляда с книги на дальний объект. Благодаря аккомодации фокус не остаётся постоянным для всех расстояний.

Близорукость — нарушение зрения, при котором изображение удалённого предмета без коррекции возникает перед сетчаткой. Поэтому далёкие предметы видны расплывчато, хотя близкие могут различаться хорошо. Для исправления используют рассеивающие линзы.

Дальнозоркость — нарушение зрения, при котором изображение близкого предмета без коррекции возникает за сетчаткой. Человеку трудно читать и рассматривать детали на малом расстоянии. Такой дефект исправляют собирающими линзами.

Как это устроено

Свет входит в глаз через прозрачную роговицу и отверстие в радужке — зрачок. Роговица даёт значительную часть общего преломления, а хрусталик дополнительно изменяет направление лучей. Радужка сужает или расширяет зрачок, потому что при ярком свете нужно ограничить поток, а при слабом — пропустить больше света.

Хрусталик меняет кривизну благодаря работе глазных мышц, связанных с ним. При рассматривании близкого предмета он становится более выпуклым и сильнее преломляет расходящиеся лучи. Для удалённого предмета хрусталик становится более плоским, поскольку лучи от него приходят почти параллельными.

После преломления лучи должны собраться на сетчатке, чувствительном слое внутри глаза. Там образуется уменьшенное перевёрнутое действительное изображение, потому что лучи действительно пересекаются в области сетчатки. Светочувствительные клетки превращают его в нервные сигналы, а зрительный нерв передаёт их в мозг для дальнейшей обработки.

При близорукости оптическая система глаза собирает параллельные лучи слишком рано: фокус удалённого предмета оказывается перед сетчаткой. За сетчаткой лучи уже расходятся, поэтому изображение получается нечётким. Рассеивающая линза немного отклоняет лучи от направления к оси, ослабляет общее преломление и переносит фокус назад.

При дальнозоркости фокус близкого предмета оказывается за сетчаткой, потому что глаз недостаточно сильно преломляет сходящиеся к нему лучи. Для получения чёткого изображения требуется усилить преломление. Собирающая линза заранее сближает лучи и перемещает общий фокус вперёд, на сетчатку.

Зрение и способы коррекции

Сначала по таблице определяют, для каких расстояний зрение нарушено и где находится фокус. Затем выбирают линзу, которая смещает фокус в нужную сторону. Нельзя выбирать линзу только по названию дефекта: нужно учитывать направление требуемого смещения.

Разбор задач

Аккомодация при чтении

Условие: ученик рассматривает мелкий текст, расположенный близко. Нужно объяснить, как глаз получает его чёткое изображение. Расстояние до текста меньше, чем при взгляде вдаль.

1. От каждой точки текста в глаз приходят расходящиеся лучи, поэтому для их фокусировки требуется сильнее преломлять свет.
2. Глазные мышцы изменяют форму хрусталика: он становится более выпуклым.
3. Оптическая сила глаза увеличивается, и лучи собираются точно на сетчатке.

Ответ: глаз аккомодируется, увеличивая кривизну и оптическую силу хрусталика. Благодаря этому изображение близкого текста остаётся действительным и чётким на сетчатке.

Коррекция близорукости

Условие: человек хорошо видит книгу, но плохо различает удалённую надпись. Требуется определить дефект и способ коррекции. Хорошее зрение вблизи указывает, что проблема проявляется главным образом для далёких предметов.

1. При удалённом предмете лучи входят в глаз почти параллельно.
2. Если фокус возникает перед сетчаткой, это близорукость.
3. Рассеивающая линза ослабляет преломление, поэтому после неё фокус смещается назад, на сетчатку.

Ответ: вероятна близорукость. Её исправляют очками или линзами с отрицательной оптической силой.

Линза для дальнозоркого человека

Условие: ближайшая точка ясного зрения находится на расстоянии 1 м, а книгу нужно читать с расстояния 25 см. Линза должна создать для глаза мнимое изображение книги в ближайшей точке ясного зрения. Используем формулу тонкой линзы: 1/F = 1/a + 1/b.

1. Для линзы a = 0,25 м, а мнимое изображение находится на стороне предмета, поэтому b = −1 м.
2. 1/F = 1/0,25 − 1/1 = 4 − 1 = 3 м⁻¹.
3. Следовательно, оптическая сила D = 1/F = 3 дптр.

Ответ: нужна собирающая линза оптической силы +3 дптр. Она формирует мнимое изображение книги на расстоянии 1 м, где глаз ещё способен видеть чётко.

Типичные ошибки

Ошибка — считать изображение на сетчатке мнимым. Её допускают, потому что изображение воспринимается мозгом, а не рассматривается непосредственно. Проверка проста: на сетчатке лучи реально пересекаются, значит, изображение действительное.

Ошибка — путать близорукость и дальнозоркость. Иногда ориентируются только на бытовые названия и забывают проверить положение фокуса. Нужно запомнить: при близорукости фокус перед сетчаткой, при дальнозоркости — за ней.

Ошибка — использовать собирающую линзу при близорукости, а рассеивающую при дальнозоркости. Такой выбор противоположен требуемому смещению фокуса. Проверьте себя вопросом: нужно усилить преломление или ослабить его?

Ошибка — считать, что аккомодация происходит за счёт движения сетчатки. Сетчатка остаётся на месте, а мышцы изменяют кривизну хрусталика. Если меняется расстояние до предмета, ищите причину фокусировки именно в хрусталике.

Связь с другими темами

До изучения глаза нужно знать, как линзы преломляют свет и строят изображения. Особенно полезно уметь проводить главные лучи и определять положение фокуса. Эти навыки позволяют объяснить работу роговицы и хрусталика.

Для расчёта очковой коррекции нужны понятия фокусного расстояния и оптической силы линзы. Оптическая сила определяется формулой D = 1/F, где F выражено в метрах. Знак D показывает тип линзы: отрицательный для рассеивающей и положительный для собирающей.

Знания о глазе пригодятся при изучении оптических приборов. В фотоаппарате, проекторе и микроскопе линзы также формируют изображения, изменяя ход световых лучей. Сравнение этих систем помогает понять общие законы геометрической оптики.

Что запомнить

• Роговица и хрусталик преломляют свет, а радужка регулирует его количество.
• Чёткое изображение должно возникать на сетчатке.
• При аккомодации хрусталик меняет кривизну.
• Близорукость корректируют рассеивающей линзой.
• Дальнозоркость корректируют собирающей линзой.
• Очковая линза смещает изображение так, чтобы оно возникло на сетчатке.