37. Глаз как оптическая система

Определения и обозначения

Глаз как оптическая система — совокупность прозрачных сред глаза, которые преломляют свет и создают изображение на сетчатке. Лучи меняют направление, проходя через эти среды, и в результате собираются на внутренней оболочке глаза. Понимание этой модели помогает объяснить, как мы видим предметы и почему зрение бывает нечётким.

Хрусталик — прозрачная эластичная линза внутри глаза, способная менять свою кривизну. Более выпуклая форма сильнее преломляет свет, а более плоская — слабее; поэтому изменяется фокусное расстояние оптической системы. Это свойство позволяет глазу приспосабливать фокусировку к расстоянию до рассматриваемого предмета.

Аккомодация — изменение оптической силы глаза при переводе взгляда с предметов на одном расстоянии на предметы на другом. Оптическая сила показывает, насколько сильно система собирает свет, и зависит от фокусного расстояния: D = 1/F, где F измеряется в метрах, а D — в диоптриях. Благодаря аккомодации изображение близких и далёких предметов может оставаться чётким.

Сетчатка — светочувствительная оболочка, расположенная внутри глаза, на которой формируется изображение. Её клетки воспринимают свет и преобразуют его в нервные сигналы, передаваемые мозгу. Сетчатка нужна не только для получения изображения: без преобразования света в сигналы мозг не смог бы обработать зрительную информацию.

Как это устроено

Свет сначала проходит через роговицу — прозрачную переднюю часть глаза, а затем через зрачок и внутренние среды, включая хрусталик. Роговица заметно преломляет лучи благодаря переходу света из воздуха в вещество с другими оптическими свойствами. Хрусталик дополнительно меняет направление лучей, а радужка изменяет размер зрачка и тем самым регулирует, сколько света попадёт внутрь. Поэтому разные части глаза выполняют не одну и ту же, а взаимодополняющие функции.

Действие всей оптической системы собирает лучи от каждой точки предмета на соответствующих участках сетчатки. Лучи от верхней части предмета пересекаются с лучами от нижней, поэтому полученное изображение оказывается перевёрнутым; из-за небольшого размера сетчатки оно также уменьшено. Изображение называется действительным, потому что возникает в месте, где реально пересекаются световые лучи. Мозг получает сигналы от сетчатки и обрабатывает их, поэтому перевёрнутость изображения не означает, что мы воспринимаем мир вверх ногами.

Когда человек переводит взгляд с далёкого предмета на близкий, лучи от него сильнее расходятся к глазу и их нужно собрать сильнее. Ресничная мышца изменяет натяжение связок, удерживающих хрусталик, и тот становится более выпуклым. Из-за увеличения кривизны возрастает оптическая сила глаза, а фокус перемещается так, чтобы изображение попало на сетчатку. При взгляде вдаль хрусталик становится более плоским и преломляет лучи слабее.

Аккомодация нужна потому, что расстояние до предметов постоянно меняется, а сетчатка остаётся на месте. Изменяя форму хрусталика, глаз подстраивает фокусировку и сохраняет изображение достаточно чётким. Однако способность хрусталика менять кривизну не безгранична: у глаза есть пределы, и не любой предмет можно рассмотреть чётко на сколь угодно малом расстоянии. Поэтому аккомодация — настройка оптической силы, а не перемещение сетчатки.

При близорукости лучи от далёкого предмета собираются перед сетчаткой, а при дальнозоркости фокус без коррекции оказывается за ней. Чтобы исправить положение фокуса, перед глазом помещают линзу, которая изменяет ход лучей ещё до их попадания в глаз. Рассеивающая линза ослабляет схождение лучей и нужна при близорукости; собирающая усиливает их схождение и применяется при дальнозоркости. Подбор линзы должен обеспечить фокус именно на сетчатке.

Части глаза и их оптические функции

Сопоставляйте части глаза с моделью по их функциям: роговица и хрусталик преломляют свет, диафрагма регулирует его количество, а экран принимает изображение. Это сравнение упрощает устройство глаза, но не означает, что глаз полностью совпадает с набором отдельных деталей. В частности, хрусталик способен менять форму, а сетчатка преобразует свет в сигналы.

Разбор задач

Какие части глаза участвуют в формировании изображения и где оно возникает?

Нужно проследить путь света от предмета внутрь глаза и выяснить, какие части меняют ход лучей. Важно отличать преломление света от регулирования его количества: зрачок сам по себе не фокусирует изображение. Затем следует назвать поверхность, на которой формируется изображение.

1. Свет входит в глаз через роговицу, где преломляется.
2. Затем лучи проходят через зрачок; радужка регулирует его размер и количество поступающего света.
3. Хрусталик дополнительно преломляет лучи и помогает сфокусировать их на сетчатке.

Ответ: в формировании изображения участвуют роговица и хрусталик, а радужка и зрачок регулируют освещение. Изображение возникает на сетчатке. Оптическую роль каждой части можно определить по тому, меняет ли она направление лучей, их количество или принимает изображение.

Что происходит с хрусталиком, когда взгляд переводят с далёкого предмета на близкий?

Близкий предмет направляет к глазу более расходящиеся лучи, чем далёкий. Чтобы лучи сфокусировались на сетчатке, оптической системе требуется сильнее преломлять свет. Поэтому нужно связать изменение формы хрусталика с изменением оптической силы и назвать этот процесс.

1. При переводе взгляда ресничная мышца изменяет натяжение связок, удерживающих хрусталик.
2. Хрусталик становится более выпуклым, то есть его кривизна увеличивается.
3. Его оптическая сила возрастает, и глаз фокусирует изображение близкого предмета на сетчатке.

Ответ: хрусталик становится более выпуклым, а оптическая сила глаза увеличивается. Такая перестройка называется аккомодацией. Она нужна, чтобы изменение расстояния до предмета не приводило к смещению чёткого изображения с сетчатки.

Изображение далёких предметов без коррекции возникает перед сетчаткой. Какое это нарушение и какая линза нужна?

Положение фокуса дано в условии, поэтому сначала его нужно сопоставить с признаками нарушений зрения. Если лучи сходятся раньше сетчатки, на ней они уже расходятся и изображение получается нечётким. Для выбора коррекции надо определить, как линза должна изменить ход лучей до их попадания в глаз.

1. Фокус перед сетчаткой соответствует близорукости.
2. Чтобы перенести фокус назад, нужно уменьшить степень схождения лучей.
3. Рассеивающая линза ослабляет схождение лучей, поэтому с ней оптическая система глаза фокусирует изображение на сетчатке.

Ответ: у человека близорукость, для коррекции используют рассеивающую линзу. Проверка рассуждения проста: такая линза должна сместить фокус назад, а не приблизить его к роговице. При дальнозоркости, когда фокус находится за сетчаткой, применяют собирающую линзу.

Типичные ошибки

Ошибка: считать изображение на сетчатке прямым. Её допускают, потому что в повседневной жизни предметы воспринимаются в обычном положении, и трудно отделить изображение в глазу от обработки сигналов мозгом. Проверь себя: вспомни, что лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются, поэтому изображение действительное и перевёрнутое.

Ошибка: приписывать фокусировку только хрусталику. Так думают, потому что именно хрусталик меняет форму при аккомодации, однако свет преломляется и в других прозрачных средах, особенно в роговице. Проверь себя: разделяй общее преломление света прозрачными средами и изменение фокусировки за счёт хрусталика.

Ошибка: объяснять аккомодацию перемещением сетчатки. Её допускают, представляя настройку как движение экрана к линзе или от неё, как в простой модели фотоаппарата. Проверь себя: сетчатка остаётся на месте, а ресничная мышца меняет форму хрусталика, из-за чего меняется оптическая сила глаза.

Ошибка: путать линзы для близорукости и дальнозоркости. Путаница возникает, если не учитывать, где находится фокус и в какую сторону его нужно сместить. Проверь себя: при близорукости изображение перед сетчаткой, поэтому нужна рассеивающая линза; при дальнозоркости фокус за сетчаткой, поэтому нужна собирающая.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу глаза, нужно знать, как преломляется свет при переходе из одной среды в другую. Также пригодится изучение собирающей линзы: она изменяет направление лучей и может формировать изображение. Эти знания позволяют проследить путь света через глаз и объяснить, почему изображение возникает на сетчатке.

Понятия фокусного расстояния и оптической силы нужны для описания аккомодации и коррекции зрения. Чем короче фокусное расстояние, тем больше оптическая сила: D = 1/F, если F выражено в метрах. Изменяя форму хрусталика или подбирая внешнюю линзу, меняют условия фокусировки света.

Представление о глазе как оптической системе пригодится при дальнейшем изучении оптических приборов. В них линзы тоже направляют свет и создают изображение, но способ настройки и устройство приборов отличаются от работы глаза. Сравнение помогает увидеть общие принципы и не путать их с особенностями зрения.

Что запомнить

• Глаз — оптическая система, формирующая изображение на сетчатке.
• Свет в глазу преломляется в прозрачных средах, в том числе в роговице и хрусталике.
• Зрачок регулирует количество света, поступающего в глаз.
• Изображение на сетчатке действительное, уменьшенное и перевёрнутое.
• Аккомодация — изменение оптической силы глаза при рассматривании предметов на разных расстояниях.
• Близорукость корректируют рассеивающей линзой, дальнозоркость — собирающей.