Реферат: Глаз как оптическая система – – Банк рефератов, сочинений, докладов, курсовых и дипломных работ

Адаптация

Приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности называется адаптацией.

Различают темновую и световую адаптацию.

Темновая адаптация происходит при переходе от больших яркостей к малым. Если глаз первоначально имел дело с большими яркостями, то работали колбочки, палочки же были ослеплены, родопсин выцвел, черный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света.

Если внезапно яркость видимых поверхностей значительно уменьшится, то вначале раскроется шире отверстие зрачка, пропуская в глаз больший световой поток. Затем из сетчатки начнет уходить черный пигмент, родопсин будет восстанавливаться, и только когда его наберется достаточно, начнут функционировать палочки.

Так как колбочки совсем не чувствительны к очень слабым яркостям, то сначала глаз не будет ничего различать, и только постепенно приходит в действие новый механизм зрения. Лишь через 50-60 мин пребывания в темноте чувствительность глаза достигает максимального значения.

Световая адаптация – это процесс приспособления глаза при переходе от малых яркостей к большим. При этом происходит обратная серия явлений: раздражение палочек благодаря быстрому разложению родопсина чрезвычайно сильно, они «ослеплены», и даже колбочки, не защищенные еще зернами черного пигмента, раздражены слишком сильно.

Итак, адаптация обеспечивается тремя явлениями:

Зрачок может изменяться в диаметре от 2 до 8 мм, при этом его площадь и, соответственно, световой поток изменяются в 16 раз. Сокращение зрачка происходит за 5 сек, а его полное расширение – за 5 мин.

Глаз как оптическая система

Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют собой весьма совершенную оптическую систему.

В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром около 2,5 см, которое называют глазным яблоком (рис. 31.3). Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть — роговицей.

С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против роговицы сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы камерой с прозрачной водянистой массой.

Рис. 31.3.

В радужной оболочке имеется круглое отверстие, называемое зрачком, диаметр которого может изменяться. Таким образом, радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещении зрачок уменьшается, а при слабом освещении — увеличивается.

Внутри глазного яблока за радужной оболочкой расположен хрусталик, который представляет собой двояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около 1,4. Хрусталик окаймляет кольцевая мышца, которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку, на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптической системой глаза.

Однако деятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когда кольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке. Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряжения предметы, расположенные не ближе шести метров от глаза. Изображения более близких предметов в этом случае получаются за сетчаткой глаза.

Таким образом, наводка на фокус в глазу человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Заметим, что при расслабленной кольцевой мышце оптическая сила глаза человека является наименьшей и составляет около 58 дптр.

Способность оптической системы глаза создавать отчетливые изображения предметов, находящихся на различных расстояниях от него, называют аккомодацией (от латинского «аккомодацио»—приспособление). При рассматривании очень далеких предметов в глаз попадают параллельные лучи.

Аккомодация глаза не безгранична. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глаз устает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается.

Глаза человека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Вечером и даже ночью, после того, как человек привыкнет к темноте, он начинает различать очертания далеких предметов и сравнительно отчетливо видит близкие предметы. Способность глаза приспосабливаться к различной степени . раздражения окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза, т. е. к различной степени яркости наблюдаемых предметов, называют адаптацией (от латинского «адаптацио» — прилаживание). Ночью чувствительность глаза к попадающему в него световому излучению в несколько миллиардов раз больше, чем днем.

Существенное значение для человека имеет его способность с помощью зрения определять положения предметов в пространстве относительно друг друга. Это явление объясняется следующим образом. Когда человек смотрит на какой-либо предмет, то он располагает зрительные оси своих глаз так, что они пересекаются на предмете (рис. 31.4).

Чем ближе к человеку этот предмет, тем большее мышечное усилие необходимо для сведения на нем зрительных осей глаз. По величине этого усилия человек и оценивает расстояние до предмета. Сведение зрительных осей глаз на определенной точке называют конвергенцией (от латинского «конвергенцио»— схождение).

Когда предметы расположены на значительном расстоянии от человека, то при переводе взгляда с одного предмета на другой угол между осями глаз практически не изменяется, и человек теряет способность правильно определять положения предметов. Когда предметы находятся очень далеко, то оси глаз располагаются параллельно и человек не может даже определить, движется или нет предмет, на который он смотрит.

Рис. 31.4.

Микроскоп

Прибор, позволяющий получить большое увеличение при рассматривании малых предметов, называют микроскопом (рис. 31.9). Он состоит из двух собирающих линз с большой оптической силой. Ту из них, перед которой помещают рассматриваемый предмет (объект), называют объективом (O1), а ту, в которую смотрят глазом, называют окуляром (O2).

Рис. 31.9.

Объектив и окуляр микроскопа представляют собой самостоятельные оптические системы, заключенные в отдельные оправы, которые вставляют в металлическую трубку — тубус микроскопа (Т). Рассматриваемый предмет помещают на столик С и освещают снизу с помощью зеркала 3 и системы линз К.

Ход лучей в микроскопе показан на рис. 31.10. Предмет AВ помещается за главным фокусом объектива, почти в главном фокусе. Окуляр располагается так, чтобы перевернутое и действительное изображение предмета A1B1 было в его главном фокусе, и действует, как лупа (рис. 31.8, б).

Рис. 31.10. 

Выясним теперь, чем определяется увеличение микроскопа. Человек, который смотрит в окуляр, видит изображение A₁B₁ под углом L — расстояние наилучшего зрения), то увеличение микроскопаУчитывая, что фокусное расстояние объектива мало, величину длиной тубуса микроскопа. Тогда увеличение микроскопа выразится формулойувеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра:

Заметим, что человек видит в микроскопе мнимое, перевернутое и увеличенное изображение рассматриваемого предмета. Оптические микроскопы дают увеличение не более чем в 1000 раз.

Оптические приборы — урок. физика, 8 класс.

Оптические
приборы, вооружающие
глаз.

Хотя глаз
и не представляет
собой тонкую
линзу, в нем
можно все же
найти точку,
через которую
лучи проходят
практически
без преломления,
т. е. точку, играющую
роль оптиче­ского
центра.
Оптический
центр глаза
находится
внутри хрусталика
вблизи задней
поверх­ности
его.

Зная
положение
оптического
центра, можно
легко пост­роить
изображение
какого-либо
предмета на
сетчатой обо­лочке
глаза. Изображение
всегда действительное,
уменьшенное
и обратное
(рис. 3, а).
Угол
φ, под которым
виден предмет
S1S2из
оптического
центра глаза
О, называется
углом
зрения.

Сетчатая
оболочка имеет
сложное строение
и состоит из
отдельных
светочувствительных
элементов.
Поэтому две
точки объекта,
расположенные
настолько
близко друг
к другу, что их
изображения
на сетчатке
попадают на
один и тот же
элемент, воспринимаются
глазом как одна
точка.

Рис.
3. а) Угол зрения
(φ=S’1S’2/h=S1S2,/D;
б) при
увеличении
угла зрения
увеличивается
изображение
рассматриваемого
предмета на
сет­чатке;
N=b’/b=φ’/φ

Глаз
плохо распознает
детали предмета,
которые он
видит под углом
менее 1′.
Это — угол, под
которым виден
отрезок, длина
которого 1 см
на расстоянии
34 м от глаза. При
плохом освещении
(в сумерках)
минимальный
угол раз­решения
повышается
и может дойти
до 1°.

Приближая
предмет к глазу,
мы увеличиваем
угол зре­ния
и, следовательно,
получаем возможность
лучше разли­чать
мелкие детали.
Однако очень
близко к глазу
прибли­зить
предмет мы не
можем, так как
способность
глаза к ак­комодации
ограничена.

Для нормального
глаза наиболее
благоприятным
для рассматривания
предмета оказывается
расстояние
около 25 см, при
котором глаз
достаточно
хорошо различает
детали без
чрезмерного
утомления. Это
расстояние
называется
расстоянием
наилучшего
зрения.

Для
близору­кого
глаза это расстояние
несколько
меньше. Поэтому
близо­рукие
люди, помещая
рассматриваемый
предмет ближе
к глазу, чем
люди с нормальным
зрением или
дальнозоркие,
видят его под
большим углом
зрения и могут
лучше раз­личать
мелкие детали.

Значительное
увеличение
угла зрения
до­стигается
с помощью оптических
приборов. По
своему наз­начению
оптические
приборы, вооружающие
глаз, можно
разбить на
следующие две
большие группы.

1. Приборы,
служащие для
рассматривания
очень
мелких предметов
(лупа, микроскоп).
Эти при­боры
как бы «увеличивают»
рассматриваемые
предметы.

2. Приборы,
предназначенные
для рассматривания
удаленных
объектов
(зрительная
труба, би­нокль,
телескоп и т.
п.). Эти приборы
как бы «приближают»
рассматриваемые
предметы.

Благодаря
увеличению
угла зрения
при использовании
оптического
прибора размер
изображения
предмета на
сетчатке
увеличивается
по сравнению
с изображением
в не­вооруженном
глазе и, следовательно,
возрастает
способ­ность
распознавания
деталей.

Отношение
длины изображе­ния
на сетчатке
в случае вооруженного
глаза b’
к длине
изображения
для невооруженного
глаза b(рис.
3, б)
называется
увеличением
оптического
прибора.

Расстояние наилучшего зрения. оптические дефекты глаза

В предыдущем параграфе было установлено, что для увеличения угла зрения предмет нужно приблизить к глазу. Однако когда предмет находится слишком близко, глаз быстро утомляется при рассматривании предмета, а на расстоянии, меньшем 20 см, нормальный глаз вообще не может ясно видеть предметы.

Наименьшее расстояние, на котором глаз может ясно видеть предметы без напряжения, называют расстоянием наилучшего зрения(L). Принято считать, что для людей с нормальным зрением L=25 см. Именно на таком расстоянии от глаз человек держит книгу при чтении.

У некоторых людей расстояние наилучшего зрения меньше 25 см. Таких людей называют близорукими. У других людей расстояние наилучшего зрения оказывается больше 25 см. Их называют дальнозоркими. Близорукие люди плохо видят далекие предметы, а дальнозоркие плохо видят близко расположенные предметы.

Люди, у которых имеются такого рода недостатки в зрении, пользуются очками. У близоруких людей главный фокус Ф оптической системы глаза находится перед сетчаткой (рис. 31.6, а).

Таким людям помогают очки с рассеивающими линзами, которые подбирают таким образом, чтобы главный фокус системы оказался на сетчатке глаза (рис. 31.6, б). У дальнозорких людей главный фокус Ф находится за сетчаткой глаза (рис. 31.7, а). Им помогают очки с собирающими линзами (рис. 31.7, б).

Рис. 31.6.

Рис. 31.7.

Теория показывает, что очки перемещают положение главного фокуса системы на сетчатку глаза, не изменяя оптической силы всей системы.

Спектральная чувствительность

Оптические приборы, работающие совместно с глазом, имеют дело с той частью потока излучения, которая воздействует на глаз. К ней относится видимая область спектра в интервале длин волн 380 – 780 нм.

Совместное действие излучения на сетчатку глаза воспринимается как белый свет; излучение, содержащее одну определенную длину волны (монохроматическое), воспринимается как цветное. Потоки излучения одинаковой величины, но соответствующие различной длине волны, вызывают неодинаковые раздражения сетчатки глаза и поэтому создают ощущения, отличающиеся не только по длине волны (по цвету), но и по интенсивности. Наиболее сильное воздействие на глаз оказывает излучение желто-зеленого цвета с длинами волн 550 – 570 нм.

Воздействие потока излучения с длиной волны 555 нм условно принимают за единицу; действие на глаз излучений других длин волн в видимом участке спектра оценивают коэффициентом относительной спектральной чувствительности:

где 

Рис. 2.5. Кривая спектральной чувствительности глаза

Труба галилея. бинокль

Изображение объекта в трубе Кеплера получается перевернутое. Для наблюдения небесных тел это не имеет значения, но неудобно для наблюдения за объектами, находящимися на поверхности Земли. Поэтому в зрительных трубах, предназначенных для наблюдений на Земле, между объективом и окуляром помещают дополнительную линзу, которая служит только для перевертывания изображения.

Такая труба громоздка, и вместо нее на практике пользуются трубой Галилея. Она состоит из собирающей линзы (объектив) и рассеивающей линзы (окуляр) (рис. 31.13). Объектив и окуляр в ней располагают так, что их фокусы совпадают в соответствии со сказанным в § 31.9. Формула (31.7) при этом остается справедливой с учетом отрицательного знака у FОK.

Рис. 31.13.

Более сильное увеличение дает призматический бинокль (рис. 31.14), представляющий собой соединение двух труб Кеплера. Изображение в этом бинокле перевертывается не о помощью линзы, а с помощью двух призм полного отражения, которые имеются в каждой из труб Кеплера.

Рис. 31.14.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно – кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Электромагнитные колебания и волны
64. Природа света
65. Распространение света
66. Отражение и преломление света
67. Оптические приборы и зрение
68. Волновые свойства света
69. Действия света
70. Линзы и получение изображений с помощью линз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

Труба кеплера. телескопы

Оптический прибор, предназначенный для наблюдения далеких объектов, которые нельзя приблизить к глазу, называют астрономической трубой. Первые астрономические трубы были построены в 1609 г. итальянским ученым Г. Галилеем и немецким ученым И. Кеплером.

Астрономическую трубу, увеличение угла зрения в которой получается с помощью линз, называют рефрактором (от латинского «рефрактус» — преломленный). Трубы, в которых тот же эффект достигается с помощью сферических зеркал, называют рефлекторами.

Труба Кеплера состоит из двух собирающих линз: объектива и окуляра. Ход лучей в трубе Кеплера показан на рис. 31.11. Объектив обычно имеет большие размеры и маленькую оптическую силу, а окуляр действует, как лупа, через которую рассматривают изображение, создаваемое объективом.

Изображение объекта АВ практически получается в главном фокусе объектива Фоб, а окуляр располагают так, что это изображение находится и в его главном фокусе Фок. Следовательно, расстояние между объективом и окуляром равно сумме фокусных расстояний Фоб и Фок, т. е. длина трубы Кеплера а равна

Рис. 31.11.

Найдем увеличение трубы Кеплера. На рис. 31.11 показаны лучи, идущие от очень далекого объекта, который невооруженным глазом виден под углом A₁B₁ под углом Г (угловое) с линейным увеличением

Астрономическую трубу, предназначенную для наблюдения за небесными объектами, называют телескопом. Объективы в современных рефракторах имеют диаметр более метра, а их фокусное расстояние приближается к 20 м.

На рис. 31.12 изображена схема устройства рефлектора, фокус которого находится в точке Ф. Окуляр расположен сбоку. Лучи попадают в него после отражения от плоского зеркала. Диаметр отверстия зеркала телескопа достигает 5 м.

Телескоп не только помогает различать объекты, расположенные на близком угловом расстоянии друг от друга, но и позволяет наблюдать очень слабые источники света благодаря тому, что объектив собирает широкий пучок лучей (несравненно более широкий, чем собирает зрачок невооруженного глаза).

Рис. 31.12.

Увеличение оптического прибора. лупа

Увеличением оптического прибора называют число, показывающее, во сколько раз угол под которым глаз видит изображение предмета в приборе, больше угла зрения под которым глаз видит предмет без прибора:

Одним из простейших оптических приборов является лупа — собирающая линза, предназначенная для рассматривания увеличенных изображений малых объектов.

Рассматриваемый в лупу предмет обычно помещают в фокальной плоскости линзы или немного ближе к линзе. На рис. 31.8, а показан малый предмет АВ и его изображение в глазу A₁B₁. Если предмет АВ расположен на расстоянии наилучшего зрения L от глаза, то он виден под углом зрения АВ так, чтобы он оказался в ее

Рис. 31.8.

фокальной плоскости (рис. 31.8, б). Тогда от каждой точки предмета АВ в глаз после лупы будет попадать пучок параллельных лучей. Оптическая система глаза соберет их на сетчатке, где получится изображение А₂В₂. Поскольку в этом случае предмет АВ виден под углом А₂В₂ будет больше A₁B₁ и человек сможет увидеть в предмете АВ такие детали, которые он не видел, рассматривая его невооруженным глазом. Увеличение лупы при этом выразится формулой (31.2):

Поскольку для людей с нормальным зрением L=0,25 м, окончательно имеем формулу для увеличения лупы)

Заметим, что в описанном случае глаз аккомодирован на бесконечность, поэтому человек через лупу видит предает АВ без напряжения и долго не утомляется.

Если предмет АВ из фокальной плоскости подвинуть ближе к лупе (рис. 31.8, в), то можно получить его мнимое изображение А’В’ на расстоянии наилучшего зрения L. Поскольку в этом случае угол зрения будет несколько больше, чем в предыдущем, то и увеличение окажется больше:

в видно, что А’В’ мнимое, то в формулу линзы (30.3) f следует подставлять с минусом

Итак, если глаз аккомодирован на расстояние наилучшего зрения, то увеличение лупы на единицу больше, чем при аккомодации глаза на бесконечность. Однако в первом случае глаз находится в напряженном состоянии и устает. Поэтому, когда человек смотрит в лупу, то глаз очень скоро сам аккомодируется на бесконечность. Это означает, что практически увеличение лупы определяется формулой (31.3).

Фотографический аппарат

Оптический прибор, предназначенный для получения фотографических снимков находящихся перед ним предметов, называют фотографическим аппаратом. Он состоит из светонепроницаемой камеры К (рис. 31.2) с подвижной передней стенкой, в которой находится объектив О.

Рис. 31.2.

При фотографировании предмета АВ сначала с помощью перемещения объектива на задней стенке аппарата получают резкое изображение предмета A1B1. Затем объектив закрывается и на задней стенке фотоаппарата помещается пластинка или пленка П, покрытая светочувствительным слоем.

После проявления и закрепления с помощью специальных составов изображение на пластинке или пленке становится видимым. На полученном изображении светлые места предметов оказываются темными; а темные — светлыми и прозрачными, поэтому такое изображение называют негативом.

Для получения обыкновенного фотоснимка, который называют позитивом, на негатив накладывают светочувствительную бумагу и выставляют его на свет так, чтобы лучи попадали на бумагу сквозь негатив. Через некоторое время на бумаге возникает скрытое изображение предмета.

Цветовосприятие

В основе восприятия цвета лежат сложные физико-химические процессы, совершающиеся в зрительных рецепторах. Различают три типа «колбочек», проявляющих наибольшую чувствительность к трем основным цветам видимого спектра:

красно-оранжевому (600 – 700 нм);

зеленому (500 – 600 нм);

синему (400 – 500 нм).

Особенности цветовой чувствительности клеток определяются различиями в зрительном пигменте. Комбинации возбуждений этих приемников разных цветов дают ощущения всей гаммы цветовых оттенков.

В компьютерной промышленности эти цвета называются тремя первичными цветами – RGB (Red, Green, Blue). Все цвета, встречающиеся в природе, можно создать, смешивая свет трех этих длин волн и варьируя их интенсивность. Смесь, состоящая из 100% каждого цвета, дает белый свет. Отсутствие всех цветов дает отсутствие света или черный свет.

В случае ослабления восприятия одного из цветов цветовое зрение может нарушаться. Известны три разновидности частичной цветовой аномалии: «краснослепые», «фиолетослепые» и «зеленослепые». Впервые нарушение цветового зрения было обнаружено у известного английского химика Дж. Дальтона: он не воспринимал красный цвет.

Восприятие цвета заметно изменяется в зависимости от внешних условий. Один и тот же цвет воспринимается по-разному при солнечном свете и при свете свечей. Однако зрение человека адаптируется к источнику света, что позволяет в обоих случаях идентифицировать свет как один и тот же – происходит цветовая адаптация (в темных очках сначала все кажется окрашенным в цвет очков, но этот эффект через некоторое время пропадает).