Статья по теме «Глаз как оптическая система». учебно-методический материал по физике (11 класс) по теме

Основы оптики

Вспомним школьную программу по физике. Многие преподаватели демонстрировали ученикам занимательный фокус: два помещения со слабым уровнем освещенности, но одно из них имеет небольшие отверстия в стенах. За ними размещен сильный источник света, например, солнышко. В некоторых случаях вместо точечных отверстий, использующихся для освещения комнаты, применяли небольшой фонарик.

Если между точечным источником света и вторым отверстием в стене поместить предмет из непрозрачного материала, то на перегородке, расположенной за вторым отверстием появится его изображение, перевернутое на сто восемьдесят градусов.

Подобный фокус со световыми лучами проделывает собирательная линза. Причина кроется в том, что каждая микроскопическая точка любого объекта при освещении, сама становится источником света, отражая во все стороны, попавшие на неё частицы.

Строение оптической системы глаза

Главный показатель её работы – сила преломления, отображающая степень корректировки угла падения светового луча. Рефракция проходит в системе четыре раза: в передней и задней камере, хрусталике, роговой оболочке и немного в жидкой среде ока. Чем больше рефракционные характеристики органа зрения, тем выше степень преломления лучей. В среднем данный показатель равняется шестидесяти диоптриям.

Оптическая система включает две главные оси:

• Зрительная. Дистанция между видимым предметом и сердцевиной центральной ямки. Максимальная разница должна составлять пять градусов;
• Оптическая. Представляет собой расстояние между дальними точками глазного яблока и камерами ока, проходит сквозь центр хрусталика.

Длина между передним полюсом зрительного аппарата равняется шестидесяти миллиметрам, это позволяет людям видеть мир в 3D.

Ниже мы детально рассмотрим строение оптической системы и подробно разберем каждый её элемент.

Роговица

Представляет собой прозрачную «деталь» органа зрения, изогнутую в поперечном сечении. Более 2/3 всей оптической силы ока приходится на роговую оболочку, в составе которой имеется несколько слоев, прикрытых тончайшей слезной плёнкой. Передняя часть элемента находится в постоянном контакте с воздухом, поэтому сильнее изогнута и обладает большей преломляющей силой по сравнению с задней.

Передняя камера

На 98% состоит из внутриглазной жидкости. Обеспечивает степень преломления равную 1,33 D. При наличии отклонения в работе органа зрения корректируются углубления камеры, в итоге на каждый миллиметр происходит повышение преломления на 1 D.

Радужка и зрачок

Мышечные волокна радужной оболочки отвечают за изменение размера зрачков, т.е. регулируют какое количество света проходит через оптическую систему. В условиях хорошего освещения они сужены, в итоге прямые лучи попадают непосредственно на центральную ямку. В этом случае, как правило, повышается острота зрения у людей, страдающих от астигматизма. Если при сужении зрачков появляются проблемы с глазами, то можно говорить о патологических процессах в макуле.

В условиях слабой освещенности зрачки увеличиваются в размерах, это приводит к следующим эффектам:

• Оптическая система получает большее количество световых потоков, в итоге острота зрения повышается, и человек может различать предметы даже в темноте;
• На значительную часть поверхности сетчатой оболочки попадают прямые лучи, т.е. в процесс вовлекаются фоторецепторы.

При сильном расширении зрачков у людей с диагнозом «астигматизм» изображение получается размытым, поскольку в процесс вовлекаются участки роговой оболочки, имеющие разную степень преломляемости. Вернуться к оглавлению

Хрусталик

Один из самых сложных элементов оптической системы, состоит из большого количества клеток, утративших свои ядра. Выполняет две основные функции: преломление света и фокусировка изображения. Аккомодация происходит следующим образом:

• При сокращении цилиарных мышц расслабляются зонулы, поддерживающие хрусталик;
• Он приобретает округлую форму, становится толще в центре, меняется его кривизна;
• На последнем этапе фокусировки уменьшается глубина передней камеры.

Хрусталик растет в течение всей жизни человека. Новые волокна разрастаются поверх старых, поэтому постепенно элемент утолщается. Если при рождении данный показатель равняется 3,5 миллиметрам, то у взрослого человека он увеличивается до 5 мм.

Стекловидное тело

Замыкает оптическую систему, выполняет большое количество важных функций. Имеет хорошую пропускную способность, но при этом отличается слабыми преломляющими характеристиками, поэтому не принимает участия в создании изображения.

Сетчатка

Один из самых сложных элементов в зрительном аппарате. Именно она отвечает за восприятие цвета и света. Обладает высокой чувствительностью, покрыта тончайшей плёнкой. Поддерживают сетчатую оболочку эпителиальные связки, а стекловидное тело прижимает её. Оптическая система использует элемент для фиксации картинки и передачи информации по зрительным нервам в соответствующие отделы головного мозга.

Подробней о строении системы вы узнаете из видеоролика

Свойства зрения

Оптическая система глаза обеспечивает единое зрительное восприятие обоих глаз, такое свойство зрения называется бинокулярностью. Это свойство обусловлено естественным рефлексом, обеспечивать слияние изображений, получаемых двумя глазами в единую картинку.

В связи с тем, что нервные элементы сетчатки двух глаз отличаются, при получении изображения каждым глазом происходит физиологическое двоение предметов, в зависимости от степени их удаления от нас.

Такое свойство зрения, дает возможность самостоятельно оценить, на каком расстоянии находится предмет, а так же оценить его рельефность. Подобная особенность зрения называется стереоскопичностью. Причем стереоскопичность доступна только при взгляде на предмет двумя глазами одновременно. Если смотреть на изображение одним глазом эффект рельефности становится недоступным.

Здесь, же стоит отметить, что в процессе зрения двум глазам отводится несколько разная роль. Тот элемент зрительной системы, который больше принимает участие в процессе формирования изображения, получил название ведущего глаза, а второй – ведомого. Чтобы проверить подобное свойство оптической системы достаточно посмотреть на какое-либо изображение через отверстие в плотном экране поочередно двумя глазами, для ведущего элемента картинка будет стоять на месте, а для ведомого – несколько сместится.

Путь световых лучей и величина

Преломление света в офтальмологии носит название рефракция. Лучи, попадающие на оптическую ось, изменяются и встречаются в главном фокусе органа зрения. Они отражены от бесконечно удаленных предметов, поэтому роль центрального фокуса выполняет точка, расположенная на оптической оси.

Световые лучи, отраженные от объектов, находящихся наконечной дистанции, соединяются в дополнительном фокусе. Он локализуется дальше основного, поскольку процесс сосредоточения расходящихся лучей проходит с использованием дополнительной преломляющей силы.

Мышцы глаза: строение и функции

Мышцы глаза обеспечивают согласованные движения всех составляющих оптической системы и обеспечивают качество зрения.

Если повредить хотя бы одну мышцу, это скажется не только двигательной способности глаза и близлежащих мышцах, а и на качестве зрения.

Всего мышц, которые отвечают за движение глаз – шесть, из которых, четыре прямые мышцы и две косые мышцы. Работу всех этих мышц контролируют черепно-мозговые соответствующие нервные волокна – глазодвигательные, отводящие и блоковые.

Благодаря большому количеству нервных окончаний у каждого волокна, обеспечиваются четкие и оперативные движения.

Функции мышц глаза

Как говорилось выше, мышцы глаз бывают прямые и косые. Эта классификация основана на принципе движения этих мышц и их расположения.

Четыре прямые мышцы расположены на внутренней, внешней, нижней и верхней поверхности.

Две косые мышцы глаза выстилают верхнюю и нижнюю части зрительного органа.

Все группы мышц имеют практически сходное строение, разве что отличаются конструкцией нижней части косых мышц.

Начинаются такие мышцы в плотном кольце, которое окружает глазной нерв. Дальше идет зона мышечной «воронки», от которой каждый отросток продолжает свою двигательную деятельность в заданном направлении. Направление это ведет к сухожилию, в которое и переходят отростки, прикрепляясь к глазному яблоку.

Все движения глазного яблока обуславливается местом крепления каждой мышцы.

Движения по вертикали и движения вовнутрь – осуществляют верхние и прямые нижние мышцы. Косые же мышцы отвечают за более сложные и разнообразные движения глаз. Так, верхняя косая мышца осуществляет опускание глаза вниз и поворачивает его вовне. А нижняя косая мышца, соответственно, поднимает глаз и также отводит его вовне.

Наверх

Аккомодация

Для получения четкой картинки оптическая система должна сфокусироваться, для этого используется один из двух методов:

• Хрусталик смещается относительно сетчатой оболочки;
• Увеличивается степень преломления.

Умение человеческого глаза приспосабливаться к различным дистанциям и видеть объекты, расположенные вдали или поблизости, называется аккомодацией.

Оптические приборы, вооружающие глаз

Человеческий глаз, несмотря на природное совершенство, по своим свойствам далек от идеальных универсальных оптических приборов. Поэтому необходимо использовать оптику, вооружающую человеческий глаз новыми способностями. При рассмотрении различных приборов следует помнить, что в каждом случае они и орган зрения образуют единую оптическую систему, важнейшим элементом которой считается хрусталик.

Если говорить о глазе как об оптическом приборе в физике, он в целом помогает получить изображение того или иного предмета на сетчатке, и кажущаяся его величина оценивается человеком по величине этого изображения.

Особенностью оптической системы, которая включает в свой состав глаза, является то, что параметры такой системы могут изменяться благодаря изменению фокусного расстояния хрусталика при аккомодации. Подобные соображения позволяют с легкостью изучить действие увеличительной лупы, которая представляет собой обычную выпуклую линзу.

Такими же, только более сложными по строению и функционированию приборами являются микроскоп, телескоп и т. д.

Физиологическая роль оптической системы глаза

Она выполняет несколько важных функций:

• Задает необходимую степень преломления световых лучей;
• Фокусирует изображение и объекты в плоскости сетчатой оболочки;
• Создает требуемую длину оси.

В результате работы оптический системы человек четко различает предметы, их цвет. Также для неё присущи следующие характеристики:

• Бинокулярность. Возможность воспринимать объемную картинку одновременно двумя глазами, при этом изображение не двоится;
• Стереоскопичность. Человек может визуально определить примерную дистанцию до объекта и оценить его очертания;
• Острота зрения. Под данным понятием скрывается возможность различать пару точек, находящихся друг от друга на определенной дистанции.

Вернуться к оглавлению

Особенности зрительного восприятия

В первую очередь оптическая система глаза предназначена для получения информации об окружающем мире через зрение. Данное понятие имеет множество характеристик и особенностей.

Ощущение света позволяет человеческому глазу воспринимать дневной и искусственный свет, а так же различать степень его интенсивности. А благодаря природной адаптации глазного яблока оптическая система способна самостоятельно без помощи извне адаптироваться к освещенности различной яркости. Световую чувствительность обуславливает природный порог раздражителей светового характера. Мало кому известно, что человеку с хорошим зрением под силу разглядеть даже небольшой огонек на расстоянии в несколько километров.

Чувствительность зрительного аппарата в первую очередь зависит от многих факторов, таких как интенсивность светового источника, его угловой размер и длина волны, а так же того времени которое действует на глаз световой раздражитель. Из-за ухудшения оптических характеристик склеры с возрастом чувствительность глазного яблока может сильно снижаться.

Оптическая система человека: стереоскопическое или 3D-зрение

Данное понятие произошло от греческих слов «stereo» (твёрдый) и «opsis» (взор). Его используют для обозначения глубины восприятия и трехмерной структуры, полученной на базе зрительных сведений от ока.

Поскольку глаза находятся на боковых плоскостях черепа, то изображение проецируется на сетчатую оболочку по-разному, отмечается разница в горизонтальном положении предметов относительно друг друга.

Симптомы поражения оптической системы глаза

Любое отклонение в её работе приведет к проблемам со зрением. Признаки, сигнализирующие о развитии патологических процессов:

• Быстрая утомляемость;
• Постоянные головные боли и перенапряжение;
• Раздвоение изображения;
• Затуманивание взгляда;
• Падение остроты зрения;
• Расплывчатые контуры предметов. Человек не может рассмотреть объекты, расположенные вдали или поблизости.

Любой из перечисленных симптомов сигнализирует о необходимости посещения доктора для выяснения причины развивающейся патологии.

Методы диагностики при поражении оптической системы глаза

Для оценки работы системы изначально требуется установить, какое око является ведомым, а какое ведущим. Для этого используют элементарное тестирование, его можно провести в домашних условиях. Посмотрите сквозь лист плотной бумаги, где проделано небольшое отверстие в центре, сначала левым, затем правым глазом. Если око ведущее, то картинка остается в статическом состоянии. У ведомого она начинает перемещаться.

Для выявления отклонений в работе оптической системы используют следующие обследования:

• Визометрия. Используют для выяснения остроты зрения;
• Офтальмометрия. Определяет преломляющие способности роговицы;
• Скиаскопия. Помогает получить объективные сведения о степени рефракции;
• Пахиметрия. Измерение толщины роговой оболочки;
• Офтальмоскопия. Применяют для анализа глазного дна и сетчатки;
• Биомикроскопическое обследование;
• Кератоскопия. Анализирует состояние роговой оболочки через специальную линзу;
• Ультразвуковое исследование глазного яблока.

Методы диагностики и лечения

Чтобы выявить имеющиеся заболевания оптического аппарата, пациентам назначают детальную офтальмологическую диагностику. Обследование состоит из нескольких информативных процедур:

• визометрии, уточняющей уровень остроты зрения;
• офтальмометрии, необходимой для определения преломляющих способностей роговицы;
• офтальмоскопии, исследующей состояние сетчатки и глазного дна;
• кератоскопии, изучающей роговую оболочку глаза;
• тонометрии, помогающей определить показатели внутриглазного давления;
• пахиметрии, состоящей в измерении толщины глазной роговицы;
• скиаскопии, помогающей получить информацию относительно рефракции.
• биомикроскопии, детально изучающей поверхностные и глубокие структуры глазного яблока.

В случае необходимости стандартное исследование зрительного аппарата дополняется такими современными методами, как УЗИ, КТ, МРТ.

Подход к терапии офтальмологических заболеваний определяется разновидностью имеющегося у пациента диагноза. В процессе лечения миопии, гиперметропии, астигматизма преимущественно применяются методы очковой или линзовой коррекции. При инфекционном поражении глазных яблок назначаются противовоспалительные капли, противовирусные или антибактериальные мази. Усилить эффективность основного лечебного курса помогают аппаратные процедуры. В случае развития серьёзных патологий специалисты принимают решение о необходимости в хирургическом вмешательстве.

Оптическая система глаза важнейший отдел человеческого организма, позволяющий ежедневно познавать окружающий мир и наслаждаться его красотами. Необходимо помнить, что органы зрения характеризуются высокой чувствительностью и нуждаются в постоянном бережном отношении. Даже незначительные нарушения в функционировании оптической системы не должны оставаться без внимания и требуют своевременного обращения за медицинской помощью.

Чудеса зрения в природе

Уникальными глазами обладают змеи, способные воспринимать инфракрасное излучение. Благодаря этой способности они с успехом охотятся на теплокровных животных даже в условиях нулевой освещенности.

У бабочек имеется иная особенность, чудесные создания воспринимают часть ультрафиолетового сектора, поэтому им не составляет труда обнаружить пыльцу в цветках.

Великолепным ночным зрением славятся гекконы. Причем они видят в том же спектральном диапазоне, что и люди. Просто их сетчатая оболочка в триста пятьдесят раз чувствительней к световым лучам. Настоящий прибор ночного видения!

Отдельного внимания заслуживает хамелеон. Ему не нужно поворачивать голову, что обозреть все триста шестьдесят градусов окружающей среды. Измерить дистанцию до объекта он способен одним глазом.

Самыми большими глазами на всей планете может похвастаться гигантский кальмар. Он обитает в пучине океана, на самом его дне. Здесь практически никогда не бывает солнечного света, но при этом моллюск способен рассмотреть своего врага на расстоянии тысяча метров.