§ 60. Глаз как оптическая система

Определения и обозначения

Оптическая система глаза — совокупность прозрачных частей глаза, которые преломляют свет и создают изображение на сетчатке. К ним относятся роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело. Вместе они направляют лучи так, чтобы глаз мог получить изображение предмета.

Хрусталик — прозрачное эластичное тело глаза, изменяющее свою кривизну и фокусное расстояние. Кривизна показывает, насколько выпукла его поверхность, а фокусное расстояние связано с тем, как сильно хрусталик собирает свет. Изменяя эти свойства, глаз настраивается на предметы на разных расстояниях.

Сетчатка — светочувствительный слой глаза, на котором формируется действительное перевёрнутое изображение предмета. Действительным называют изображение, возникающее там, где сходятся сами световые лучи. Светочувствительные клетки сетчатки воспринимают свет и передают сигналы в мозг.

Аккомодация — изменение оптической силы глаза для получения резкого изображения предметов на разных расстояниях. Оптическая сила показывает, насколько сильно система преломляет свет; её измеряют в диоптриях. Для линзы она связана с фокусным расстоянием формулой D = 1/F, где F выражено в метрах.

Как это устроено

Свет от предмета сначала попадает на роговицу, затем проходит через водянистую влагу, зрачок, хрусталик и стекловидное тело. Роговица и хрусталик преломляют лучи особенно заметно, а остальные прозрачные среды помогают им пройти к сетчатке. Совместное действие этих частей похоже на действие собирающей линзы: лучи меняют направление и сходятся внутри глаза. Поэтому глаз можно рассматривать как сложную оптическую систему, а не как одну отдельную линзу.

Чёткое изображение должно возникнуть на сетчатке, потому что именно в ней находятся клетки, воспринимающие свет. Если лучи сходятся перед сетчаткой или должны были бы сойтись за ней, на самой сетчатке получается размытое изображение. Тогда детали предмета различить труднее, хотя свет всё равно попадает в глаз. Получается, что для ясного зрения важно не просто преломить лучи, а направить их к нужному месту.

Глаз меняет фокусировку с помощью мышц и эластичного хрусталика. Когда нужно рассмотреть близкий предмет, мышцы изменяют натяжение связок, и хрусталик становится более выпуклым; его оптическая сила возрастает. Для далёкого предмета хрусталик становится более плоским, и его оптическая сила уменьшается. Изменение кривизны помогает сохранять резкое изображение на сетчатке, хотя расстояние до предмета меняется.

У человека с нормальным зрением параллельные лучи от далёкого предмета сходятся на сетчатке, когда глаз не напрягает аккомодацию. Это возможно потому, что оптическая сила глаза и расстояние от хрусталика до сетчатки согласованы. Для близкого предмета обычно требуется дополнительная настройка хрусталика. Так глаз переключается между разными расстояниями, не перемещая саму сетчатку.

При близорукости лучи от далёкого предмета собираются перед сетчаткой, поэтому удалённые предметы выглядят нечётко. Рассеивающая линза ослабляет схождение лучей и сдвигает место их фокусировки назад, к сетчатке. При дальнозоркости изображение близкого предмета стремится сформироваться за сетчаткой; собирающая линза усиливает схождение лучей и помогает сфокусировать их на сетчатке. Так разные нарушения требуют линз разного действия.

Части глаза как элементы оптической системы

Проследите по таблице путь от преломления света до восприятия изображения: каждый элемент выполняет свою задачу. Зрачок регулирует световой поток, но не фокусирует лучи, поэтому его не следует путать с линзой. Таблица помогает быстро вспомнить, какая часть глаза влияет на направление света, а какая воспринимает изображение.

Разбор задач

Задача 1. Опишите путь световых лучей от предмета до сетчатки и назовите части глаза, участвующие в формировании изображения. Нужно проследить движение света по порядку, не приписывая зрачку роль линзы. Затем укажем, где получается изображение и каким оно является.

1. Свет от предмета попадает на роговицу, которая сильно преломляет лучи.
2. Затем лучи проходят через водянистую влагу, зрачок и хрусталик; хрусталик преломляет их и настраивает фокусировку.
3. После этого свет проходит через стекловидное тело и достигает сетчатки, где возникает изображение.

Ответ. В формировании изображения участвуют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело; зрачок ограничивает световой пучок. На сетчатке получается действительное перевёрнутое изображение. Такое описание показывает, что путь света включает несколько прозрачных сред, а не один хрусталик.

Задача 2. Оптическая сила хрусталика глаза в некотором состоянии равна 50 дптр. Определите его фокусное расстояние. Используем связь оптической силы и фокусного расстояния D = 1/F, причём расстояние в этой формуле должно быть выражено в метрах. Искомую величину найдём, выразив F через D.

1. Запишем формулу: D = 1/F.
2. Переставим величины: F = 1/D.
3. Подставим значение: F = 1/50 м = 0,02 м.

Ответ. Фокусное расстояние равно 0,02 м, или 2 см. Проверка: обратная величина от 0,02 м равна 50 дптр. Если записывать ответ в сантиметрах, важно сначала получить значение в метрах по формуле.

Задача 3. Изображение удалённого предмета у человека формируется перед сетчаткой. Определите вид нарушения зрения и укажите, какие очки его исправляют. Положение фокуса перед сетчаткой означает, что лучи сходятся слишком рано. Нужно выбрать линзу, которая сдвинет место фокусировки дальше.

1. Сопоставим положение изображения с нарушениями: перед сетчаткой формируется изображение при близорукости.
2. Рассеивающая линза ослабляет схождение лучей, поэтому после неё фокус оказывается дальше.
3. Подбирают очки с рассеивающими линзами, чтобы изображение оказалось на сетчатке.

Ответ. Это близорукость; её исправляют очками с рассеивающими линзами. Выбор сделан по положению изображения: если оно перед сетчаткой, нужно отодвинуть фокус назад. При дальнозоркости, наоборот, применяют собирающие линзы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать изображение на сетчатке прямым. Её допускают, потому что предметы в повседневной жизни мы воспринимаем прямо. На сетчатке возникает действительное перевёрнутое изображение, а мозг обрабатывает поступающие сигналы. Проверьте себя: вспомните, где сходятся лучи, и не смешивайте изображение в глазу с нашим восприятием.

Ошибка: называть зрачок линзой. Зрачок похож на отверстие, через которое проходит свет, поэтому его действие легко перепутать с преломлением. На самом деле он регулирует количество света и ограничивает световой пучок, а главные преломляющие части — роговица и хрусталик. Проверка проста: спросите, меняет ли зрачок направление лучей или только размер пучка.

Ошибка: думать, что при аккомодации хрусталик перемещается. Такое объяснение кажется естественным, потому что для фокусировки в приборах иногда двигают линзу. В глазу главным образом меняется кривизна хрусталика, а вместе с ней — оптическая сила. Чтобы проверить ответ, назовите, что именно изменяют мышцы: натяжение связок и форму хрусталика, а не его положение.

Ошибка: путать очки при близорукости и дальнозоркости. Названия нарушений легко смешать, если не учитывать, где образуется изображение. При близорукости оно перед сетчаткой, поэтому нужны рассеивающие линзы; при дальнозоркости изображение близкого предмета стремится оказаться за ней, поэтому нужны собирающие. Проверьте себя: сначала определите положение фокуса, а уже потом выбирайте линзу.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в работе глаза, полезно знать, как свет преломляется на границе сред, и уметь отличать собирающую линзу от рассеивающей. Понятия фокуса, фокусного расстояния и оптической силы помогают описывать, насколько сильно линза изменяет ход лучей. Тема пригодится при изучении близорукости, дальнозоркости и очков. Те же идеи встречаются в работе лупы, фотоаппарата и других оптических приборов, где нужно получить чёткое изображение.

Что запомнить

• Глаз представляет собой сложную оптическую систему.
• Роговица и хрусталик преломляют свет, а хрусталик изменяет оптическую силу глаза.
• Чёткое изображение предмета формируется на сетчатке.
• Изображение на сетчатке действительное и перевёрнутое.
• Аккомодация позволяет видеть резко предметы на разных расстояниях.
• Близорукость исправляют рассеивающими линзами.
• Дальнозоркость исправляют собирающими линзами.