Око як оптична система

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Око як оптична система

біофізика оптика око обскур

Зміст

Вступ

1. Око як оптична система

2. Проекційні пристрої

3. Око як жива камера Обскура

4. Далека і ближня точки

5. Прессбіопрія

6. Поняття оптичної системи

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Біофізика -- наука, що вивчає фізичні і фізико-хімічні закономірності в життєдіяльності рослинних і тваринних організмів, системну організацію процесів життєдіяльності на усіх рівнях (клітина, тканина, органи, організми, біосфера), а також механізм дії фізичних факторів на організми.

Біофізичне дослідження характеризує фізична постановка завдання, котре стосується живої природи, та застосування фізичних понять і термінів щодо опису біологічних явищ. Біофізика вивчає також дію фізичних факторів навколишнього середовища на живу матерію. Великою перевагою біофізики є можливість використання непрямих, опосередкованих методів дослідження об'єктів пізнання (безпосереднє вивчення яких з певних причин неможливе) шляхом дослідження їх моделей.

Удосконалення й розроблення в цьому напрямку методів з вимірювання електричних потенціалів, іонних струмів, діелектричних властивостей, електропровідності, спектральних характеристик, хемолюмінесценції та інших є важливим джерелом при розв'язанні багатьох проблем сучасної біології. Біофізика з'ясовує важливі практичні завдання і разом з іншими науками є теоретичною основою біології та медицини.

1. Око як оптична система

Органом зору людини є очі, які у багатьох відносинах являють собою дуже розроблену оптичну систему.

У цілому око людини -- це кулясте тіло діаметром близько 2,5 см, яке називають очним яблуком. Непрозору і міцну зовнішню оболонку ока називають склерою, а її прозору і більш опуклу передню частину -- роговицею. З внутрішньої сторони склера вкрита судинною оболонкою, що складається з кровоносних судин. Проти роговиці судинна оболонка переходить у райдужну оболонку, неоднаково забарвлену в різних людей, що відділена від роговиці камерою з прозорою водянистою масою.

У райдужній оболонці є круглий отвір, який називається зіницею, діаметр якої може змінюватися. Таким чином, райдужна оболонка відіграє роль діафрагми, що регулює доступ світла в око. При яскравому освітленні зіниця зменшується, а при слабкому освітленні -- збільшується. Усередині очного яблука за райдужною оболонкою розташований кришталик, що являє собою двоопуклу лінзу з прозорої речовини з показником переломлення близько 1,4. Кришталик облямовує кільцевий м'яз, що може змінювати кривизну його поверхонь, а виходить, і його оптичну силу.

Судинна оболонка з внутрішньої сторони ока покрита розгалуженнями світлочутливого нерва, особливо густими напроти зіниці. Ці розгалуження утворять сітчасту оболонку, на якій виходить дійсне зображення предметів, створюване оптичною системою ока. Простір між сітківкою і кришталиком заповнено прозорим склоподібним тілом. Зображення предметів на сітківці ока виходить перевернене. Однак діяльність мозку, що одержує сигнали від світлочутливого нерва, дозволяє нам бачити всі предмети в натуральних положеннях.

Коли кільцевий м'яз ока розслаблений, то зображення далеких предметів виходить на сітківці. Взагалі пристрій ока такий, що людина може бачити без напруги предмети, розташовані не ближче 6 м від ока. Зображення більш близьких предметів у цьому випадку виходить за сітківкою ока. Для одержання виразного зображення такого предмета кільцевий м'яз стискає хрусталик усе сильніше доти, поки зображення предмета не виявиться на сітківці, а потім утримує кристалик у стиснутому стані.

Таким чином, «наведення на фокус» ока людини здійснюються зміною оптичної сили кристалика за допомогою кільцевого м'яза. Здатність оптичної системи ока створювати виразні зображення предметів, що знаходять на різних відстанях від нього, називають акомодацією ( від латинського «акомодаціо» - пристосування). При розгляданні дуже далеких предметів в око попадають рівнобіжні промені. У цьому випадку говорять, що око акомодовано на нескінченність.

Акомодація ока не нескінченна. За допомогою кільцевого м'яза оптична сила очі може збільшуватися не більше чим на 12 діоптрій. При довгому розгляданні близьких предметів око утомлюється, а кільцевий м'яз починає розслаблюватися і зображення предмета розпливається.

Ока людини дозволяють добре бачити предмети не тільки при денному висвітленні. Здатність ока пристосовуватися до різного ступеня роздратування закінчень світлочутливого нерва на сітківці ока, тобто до різного ступеня яскравості об'єктів, що спостерігаються, називають адаптацією.

Зведення зорових осей ока на визначеній точці називається конвергенцією. Коли предмети розташовані на значній відстані від людини, то при переводі ока з одного предмета на іншій між осями очей практично не змінюється, і людина втрачає здатність правильно визначати положення предмета. Коли предмети знаходяться дуже далеко , те осі очей розташовуються паралельно , і людина не може навіть визначити , рухається чи предмет ні, на який він дивиться. Деяку роль у визначенні положення тіл грає і зусилля кільцевого м'яза, що стискає кристалик при розгляданні предметів , розташованих недалеко від людини.

2. Проекційні пристрої

Для показу глядачам на екрані збільшеного зображення малюнків, фотознімків чи креслень застосовують проекційний апарат. Малюнок на склі чи на прозорій плівці називають діапозитивом, а сам апарат, призначений для показу таких малюнків - діаскопом.

Якщо апарат призначений для показу непрозорих картин і креслень, то його називають епіскопом. Апарат, призначений для обох випадків називається епідіаскопом.

Лінзу, яка створює зображення предмета, що знаходиться перед нею, називають об'єктивом. Звичайно об'єктив являє собою оптичну систему, у якої усунуті найважливіші недоліки, властиві окремим лінзам. Щоб зображення предмета на було гарно видно глядачам, сам предмет повинен бути яскраво освітлений.

Джерело світла S міститься в центрі увігнутого дзеркала (рефлектора) Р. світло йде безпосередньо від джерела S і відбитий від рефлектора Р, попадає на конденсор ДО, що складається з двох плоско випуклих лінз. Конденсор збирає ці світлові промені на об'єктиві ПРО, що вже направляє їх на екран Е, де виходить зображення діапозитива Д. Сам діапозитив міститься між головним фокусом об'єктива і крапкою, що знаходиться на відстані 2F від об'єктива. Різкість зображення на екрані досягається переміщенням об'єктива, що часто називається наведенням на фокус.

3. Око як жива камера Обскура

Часто око називають живою камерою Обскура, але як більшість аналогій і ця аналогія вірна лише частково. Око являє собою нескінченно більш тонкий і складний прилад, чим найкращий фотоапарат, хоча в принципі вони однакові. У фотоапараті, як показано, мається проста збірна чи лінза система лінз, що діє подібно збірному хрусталику ока. Чуттєва плівка у фотоапараті відповідає чутливості до світла сітчастій оболонці на задній стороні ока; ту й іншу одержують перевернені, дійсні, зменшені зображення. Діафрагма регулює кількість світла, що допускається у фотоапарат; райдужна оболонка регулює кількість світла, що входить в око. У темряві чи зіниця отвір райдужної оболонки може мати діаметр майже 1 см, а на яскравому світлі він має розмір шпилькової голівки.

Фокусація ока

В одну мить нормальне око здатне сфокусувати чітко на сітчастій оболонці такий великий вилучений предмет як гора, а в наступну частку секунди він може дати однаково чітке зображення видрукуваного чи тексту спідометра автомашини, що знаходиться усього на відстані якого-небудь десятка сантиметрів від очей. Якби ми не мали таку здатність, нам було б важко керувати швидкохідними автомобіля і літаками, не збільшуючи кількості нещасливих випадків, яких і без того багато. Теоретично мається кілька можливих способів. Риба фокусує око, змінюючи відстань між лінзою і сітчастою оболонкою точно так само, як фокусує фотоапарат з розтяганням. Але, як ви знаєте, людське око фокусує не таким способом. Хрусталик ока просто змінює свою форму. Зі збільшенням відстані предмета, що приводить до зменшення відстані зображення, мускули, з'єднані з зовнішніми краями очного хрусталика, змушують хрусталик сплющуватися і ставати тонше. Таким чином, його фокусна відстань збільшується в достатньому ступені, і зображення різке фокусується на сітчастій оболонці (рис 2.а).

У випадку, якщо предмет наближається до ока, змушуючи збільшуватися відстань до зображення, хрусталик стає більш опуклим і товстим. Його фокусна відстань при цьому зменшується так, що відстань зображення залишається повним і зображення не сходить із сітчастої оболонки. Цей процес, що дає ті ж самі результати, що і фокусування фотоапарата, називається акомодацією.

Внутрішність фотоапарата зачернена, тому що його стінки поглинають будь-який промінь світла, що потрапив. Внутрішність ока точно так само оточена темною оболонкою, що поглинає світло. Поверх темної оболонки ока мається тверда біла оболонка, що зберігає форму очного яблука і захищає око від ушкоджень.

У багатьох відносинах очей досконаліше, ніж фотоапарат, але не в усіх. Фотоапарат дає постійне зображення предметів із усіма його деталями, тим часом як зображення в оці існує тільки протягом 1/16 сек до появи наступного чіткого зображення. На сітчастій оболонці часто відсутні деталі, і одне зображення може перекриватися і заслоняти наступне зображення. Саме тому два чесних спостерігачі можуть сперечатися щодо переможця в гонках. Фотознімки не мають такі недоліки і по цьому при таких обставинах мають перевага перед безпосереднім спостерігачем.

Залишкове зображення в оці приводить до інших цікавих явищ. Воно викликає розмиття картини спиць обертового колеса і створює видимість сліду, що світиться, за швидко рухаючим в темряві джерелом світла. У дійсності ми бачимо в кіно від 16 до 24 нерухомих картин, що з'являються на екрані щосекунди. Після кожної такої картини і перед наступною екран затемнюється обтюратором кінопрекційного апарата, але око зберігає враження від однієї картини до іншої і перетворює окремі зображення в ілюзію безупинного руху.

4. Далека і ближня точки

Коли очні мускули зовсім не напружені, як це буває у випадку, якщо дивитися на вилучений предмет, хрусталик має максимальна фокусна відстань, і тоді говорять, що він адаптований на далеку точку. Коли предмет знаходитися так близько до ока, що хрусталик має найменшу можливу фокусну відстань, то говорять, що предмет розташований у ближній точці. Ви можете визначити вашу ближню крапку, повільно наближається шрифт (рис 3) до ока. Іспит проводитися для кожного ока окремо. Найкоротша відстань, при якому ще не помітне змазування очей, і є ваша ближня точка. Виміряйте цю відстань для кожного ока і порівняєте з тим, що повинно бути відповідно до таблиці 2.

Таблиця 2 Наближена відстань ближньої точки для середнього ока в різному віці

5. Прессбіопрія

З віком здатність акомодації поступово зменшується. Це порозумівається зменшенням пружності хрусталика і здатності очних мускулів збільшувати кривизну хрусталика. Цей недолік називається прессбіопрією. Коли такий недолік має місце, ближня точка віддаляється від ока й аккомодаційна здатність зменшується. З таблиці 2 видно, що для людини 65-літнього віку ближня точка знаходитися на відстані 200 см. Яка буде, приблизно, найближча відстань, на якій людина 65 років може прочитати цю сторінку без допомоги окулярів? При такій відстані (200 см), сумнівно, що можна було б розібрати слова внаслідок занадто малої величини зображення на сітчастій оболонці. Ідеальної відстані для читання роботи на близькій відстані не існує, але якщо врахувати усі фактори, то можна вважати, що найкращою відстанню є 32 - 37 см. Але якщо ця відстань менше, ніж приблизно полуторна відстань ближньої точки, то напруга, що потрібна мускулам для того, щоб сфокусувати світло й одержати різке зображення на сітчастій оболонці, настільки велика, що, імовірно, наступить втома ока.

У віці до 35 років легко дотримувати це правило. Після 40 років (табл. 2) звичайно це важко зробити. У віці 45 років мінімальна відстань дорівнює 1,5*30=45 см, а це далі, ніж необхідно для предмета, щоб зображення мало відповідну величину і було легке видиме.

Після 40 років середній хрусталик ока має потребу в допоміжному пристосуванні для збирання світла при розгляді близьких предметів. З цією метою перед оком міститься збірна лінза відповідної оптичної сили. Але з такою лінзою неможливо бачити вилучені предмети. Для того щоб, виправити цей недолік, потрібно чи зняти окуляри, чи застосувати біфокальні лінзи. У таких лінз нижня частина застосовується для ближнього зору, а верхня - для розглядання вилучених предметів. Хоча прессбіопсія є, очевидно, природним і непереборним недоліком, виявляється, що більш сильне висвітлення ближніх предметів у значній мірі заміняє окуляри для читання. Більш сильне висвітлення змушує сильніше звужуватися зіниці. Це створює більш різке і чітке зображення на сітчастій оболонці так само, як і у фотоапараті, - чим менше отвір діафрагми, тим різкіше зображення.

Висновок

Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання винятково великі. Винахід телескопа і спектроскопа відкрило перед людиною неймовірний і багатший світ явищ , що відбуваються в неосяжному Всесвіті. Винахід мікроскопа зробило революцію в біології. Фотографія допомогла і продовжує допомагати чи ледве не всім галузям науки. Одним з найважливіших елементів наукової апаратури є лінза. Без її не було би мікроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоапарата, кіно , телебачення і т.п. не було би окулярів, і багато людей, яким перевалило за 50 років, були б позбавлені можливості читати і виконувати багато робіт , зв'язані з зором.

Область явищ, досліджувана фізичною оптикою, дуже велика. Оптичні явища найтіснішим образом зв'язані з явищами, досліджуваними в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому не дивно , що оптиці протягом тривалого часу належала ведуча роль у дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних поглядів. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися й у значній мірі розвилися на ґрунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрило нові найширші можливості не тільки в оптику, але й у її додатках у різних галузях науки і техніки.

Список літератури:

1. Артамонов И. Д., Ілюзії зору, Физматгиз, 1991.

2. Вавилов С. И., Око і Сонце, Изд-во АН СРСР, 1989.

3. Вавилов С. И., Про “тепло” і “холодному” світлі, “Знання”, 1956.

4. Валюс Н. А., Як бачить око. - Гостехиздат, 1984.

5. Кушнир Ю. М., Вікно в невидиме, Гостехиздат, 1985.

6. Левшин В. П., Люмінесценція і її технічні застосування, Изд-во АН СРСР, 1956.

7. Миннарт М., Світло і колір у природі, Физматгиз, 1989.

Список використаної літератури:

1. Артамонов И.Д., Ілюзії зору, Физматгиз, 1991.

2. Вавилов С.И., Око і Сонце, Изд-во АН СРСР, 1989.

3. Вавилов С.И., ПРО “тепло” і “холодному” світлі, “Знання”, 1956.

4. Валюс Н.А., Як бачить око. - Гостехиздат, 1984.

5. Кушнир Ю.М., Вікно в невидиме, Гостехиздат, 1985.

6. Левшин В.П., Люмінесценція і її технічні застосування, Изд-во АН СРСР, 1956.

7. Миннарт М., Світло і колір у природі, Физматгиз, 1989

Размещено на Allbest.ru