Оптическая система глаза
Глаз можно рассматривать как сложную оптическую систему, которая собирает свет от предмета и создаёт его действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение на сетчатке. В экзаменационных задачах глаз обычно заменяют собирающей линзой, а основные расчёты выполняют по формулам тонкой линзы и оптической силы.
Модель глаза как оптической системы
Свет от предмета сначала проходит через роговицу, затем через зрачок и хрусталик. Роговица и хрусталик преломляют лучи, а радужка регулирует количество проходящего света. В упрощённой модели все преломляющие элементы заменяют одной собирающей линзой. Её оптический центр находится примерно на оптической оси глаза, а экраном служит сетчатка.
Оптическая система глаза — совокупность преломляющих элементов глаза, которая формирует изображение предмета на сетчатке. В школьной модели она представляется собирающей линзой с переменным фокусным расстоянием.
Расстояние от оптического центра глаза до сетчатки приблизительно постоянно и равно \(L\approx 2{,}0\text{–}2{,}4\ \text{см}\). Чтобы изображение оставалось на сетчатке при изменении расстояния до предмета, глаз меняет кривизну хрусталика. Этот процесс называется аккомодацией глаза и изучается отдельно.
Как строится изображение на сетчатке
Для построения изображения достаточно использовать главные лучи собирающей линзы. Луч, идущий параллельно главной оптической оси, после линзы проходит через её фокус. Луч, проходящий через оптический центр тонкой линзы, практически не меняет направления. Луч, идущий через передний фокус, после линзы становится параллельным оси.
На сетчатке лучи уже пересеклись, поэтому изображение действительное. Оно перевёрнуто относительно предмета, но мозг обрабатывает зрительную информацию так, что мы воспринимаем окружающие предметы правильно ориентированными. В модели глаза изображение обычно считают уменьшенным, поскольку размер изображения на сетчатке намного меньше размера предмета.
Для нормального зрения изображение предмета должно быть действительным и находиться точно на сетчатке. Если фокус оказывается перед сетчаткой или за ней, изображение получается размытым.
Положение изображения определяют формулой тонкой линзы. Для глаза \(b\) часто принимают равным расстоянию от хрусталика до сетчатки: \(b=L\). Тогда по известным \(a\) и \(L\) можно найти фокусное расстояние хрусталика.
В формуле оптической силы \(F\) выражают в метрах, а результат \(D\) получают в диоптриях. Для собирающей системы \(F>0\) и \(D>0\). Если пән находится далеко по сравнению с фокусным расстоянием, то \(a\to\infty\), поэтому изображение почти формируется в фокальной плоскости: \(b\approx F\).
Какое изображение формируется на сетчатке здорового глаза?
Размер изображения и увеличение
Линейное увеличение показывает, во сколько раз размер изображения отличается от размера предмета. Для тонкой линзы используют отношение расстояний от линзы до изображения и предмета. Знак минус означает перевёрнутость изображения; если требуется только размер, обычно берут модуль.
Здесь \(h\) — высота пәннің, а \(h'\) — алгебраическая высота изображения. Например, если \(|\Gamma|=0{,}02\), изображение в 50 раз меньше пәннің. Связь с углом зрения позволяет объяснить, почему большой предмет вдали может занимать на сетчатке такой же размер, как маленький предмет вблизи.
Даже если изображение на сетчатке перевёрнуто, это не означает, что человек видит мир вверх ногами: зрительная система мозга интерпретирует сигнал от сетчатки.
Разобранный пример: оптическая сила глаза
Пән находится на расстоянии \(a=0{,}50\ \text{м}\) от оптического центра глаза. Расстояние от хрусталика до сетчатки \(b=2{,}0\ \text{см}\). Найдите фокусное расстояние и оптическую силу оптической системы глаза.
Показать Шешім Шешім
Жауабы: \(F\approx1{,}92\ \text{см}\), \(D\approx52\ \text{дптр}\). Получилось положительное значение, потому что модель глаза содержит собирающую оптическую систему.
Типовые ситуации и связь с нарушениями зрения
При нормальном зрении параллельные лучи от далёкого предмета собираются на сетчатке. Если оптическая система слишком сильная или глаз слишком длинный, фокус оказывается перед сетчаткой — это близорукость. При дальнозоркости оптической силы недостаточно или глаз короче, и фокус оказывается за сетчаткой.
Для близорукости используют рассеивающие линзы с отрицательной оптической силой, а для дальнозоркости — собирающие с положительной. Расстояния до точек ясного зрения рассматриваются на странице о ближней и дальней точке зрения. При анализе нескольких линз полезно повторить материал об оптической силе системы линз.
1. Подставляют сантиметры в формулу \(D=1/F\) — фокусное расстояние обязательно переводят в метры. 2. Путают расстояние до предмета с расстоянием до изображения: для глаза изображение находится на сетчатке. 3. Забывают, что собирающая система имеет положительные \(F\) и \(D\). 4. Считают изображение мнимым только потому, что оно перевёрнуто. Действительное изображение определяется реальным пересечением лучей.
Сначала выпишите, что является предметом, линзой и экраном. Затем переведите все длины в метры, выберите формулу тонкой линзы, найдите \(F\), а после этого — \(D\) или увеличение. В конце проверьте единицы и знак результата.
Не смешивайте модель глаза с задачами о двух отдельных линзах: для них пригодится бет изображение в системе двух линз. Для сравнения мнимого и действительного изображений важно помнить: действительное изображение можно получить на экране, а мнимое — нельзя.
Проверь себя
Главное
- Глаз моделируют собирающей линзой, а сетчатку — экраном.
- На сетчатке формируется действительное, перевёрнутое и обычно уменьшенное изображение.
- Основные формулы: \(\frac{1}{F}=\frac{1}{a}+\frac{1}{b}\), \(D=\frac{1}{F}\) и \(\Gamma=-\frac{b}{a}\).
- В формулах оптической силы фокусное расстояние выражают в метрах; единица \(D\) — диоптрия.
- Близорукость связана с фокусом перед сетчаткой, дальнозоркость — с фокусом за сетчаткой.