§ 16. Око як оптична система. Вади зору та їх корекція

Органом зору людини є око — один із найдосконаліших і водночас найпростіших оптичних пристроїв. Як влаштоване око? Чому деякі люди погано бачать і як скоригувати їхній зір? Із якими особливостями зору пов'язане виробництво мультиплікаційних фільмів? Про все це ви дізнаєтесь із цього параграфа.

1. Згадуємо будову ока

Око людини — це оптична система, що складається з кількох оптичних елементів, які разом призначені для створення зображення.

Око (див. рис. 16.1) має форму кулі діаметром приблизно 2,5 см. Ззовні око вкрите щільною непрозорою оболонкою — склерою. Передня частина склери переходить у прозору рогову оболонку — рогівку, що діє як збиральна лінза й разом із внутрішньоочною рідиною забезпечує 75 % здатності ока заломлювати світло.

Рис. 16.1. Будова ока

Ізсередини склера вкрита судинною оболонкою, яка в передній частині ока переходить у райдужну оболонку — райдужку. У центрі райдужки є круглий отвір — зіниця. Зіниця звужується в разі збільшення освітленості й розширюється в разі її ослаблення.

Здатність ока пристосовуватися до зміни освітленості називають адаптацією.

За зіницею розташований кришталик — збиральна лінза, яка завдяки скріпленим із нею м’язам може змінювати свою кривизну, а отже, оптичну силу.

В утворенні зображення бере участь і склисте тіло — прозора драглиста маса, що заповнює простір між кришталиком і сітківкою.

Світло, яке потрапляє в око, заломлюється в рогівці, внутрішньоочній рідині, кришталику та склистому тілі. У результаті на сітківці — світлочутливій поверхні очного дна — утворюється дійсне, зменшене, обернене зображення предмета (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Зображення, яке утворюється на сітківці ока, — дійсне, зменшене, обернене

2. З'ясовуємо, чому людина бачить як віддалені предмети, так і ті, що поряд

Якщо людина має гарний зір, вона бачить чіткими як далеко, так і близько розташовані предмети. Це відбувається тому, що в разі зміни відстані до предмета кришталик змінює кривизну, тобто змінює свою оптичну силу.

Здатність кришталика змінювати свою кривизну в разі зміни відстані до розглядуваного предмета називають акомодацією.

Якщо людина дивиться на віддалені предмети, то промені, що виходять від цих предметів і потрапляють в око, є практично паралельними. У цьому випадку око найбільш розслаблене. (Згадайте: замислившись, ми дивимось ніби вдалину.) Чим ближче розташований предмет, тим сильніше напружується око (м’язи ока збільшують кривизну кришталика).

Найменшу відстань, на якій око бачить предмет практично не втомлюючись, називають відстанню найкращого зору.

Для людини з нормальним зором відстань найкращого зору дорівнює приблизно 25 см. Саме на цій відстані така людина, читаючи, тримає книжку.

3. Знайомимося з інерцією зору

Якщо швидко переміщувати в темряві бенгальський вогонь, то спостерігач побачить світні фігури, утворені «вогняним контуром». Під час швидкого обертання каруселі її різнокольорові лампи, зливаючись, виглядають для спостерігача як кільця. Очі людини весь час кліпають, при цьому ми не помічаємо, що на певний інтервал часу предмет, на який ми дивимося, стає невидимим.

Усі описані явища пояснюються інерцією зору. Річ у тім, що після того як зображення предмета зникає із сітківки ока (предмет пересувають, припиняють освітлювати, затуляють непрозорим екраном тощо), зоровий образ, викликаний цим предметом, зберігається протягом 0,1 с.

Інерцію зору використовують в анімаційному кіно. Картинки на екрані дуже швидко (24 рази на секунду) змінюють одна одну; під час їх зміни екран не освітлюється, але глядач цього не помічає, а просто бачить низку картинок, що чергуються. Так на екрані створюється ілюзія руху.

• Скільки ж картинок потрібно намалювати художнику, щоб одержати мультиплікаційний фільм тривалістю лише 10 хв?

На інерції зору також базується застосування стробоскопа. (Стробоскоп являє собою джерело світла, що випромінює світлові спалахи через малі рівні інтервали часу.) Під час фотографування об’єктів, що освітлені стробоскопом, отримують стробоскопічні фотографії (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Стробоскопічна фотографія гімнаста

4. Дізнаємося про вади зору та їх корекцію

Підбиваємо підсумки

Із точки зору фізики око являє собою оптичну систему, основними елементами якої є рогівка, внутрішньоочна рідина, кришталик, склисте тіло. У цій оптичній системі заломлюється світло, і в результаті на сітківці утворюється зменшене, дійсне, обернене зображення предмета. Після того як зображення предмета зникає із сітківки ока, зоровий образ, викликаний цим предметом, зберігається у свідомості людини протягом 0,1 с. Цю властивість називають інерцією зору.

Контрольні запитання

1. Назвіть оптичні елементи ока та їх функції. 2. Як реагує зіниця на зміну освітленості? 3. Чому людина з нормальним зором може однаково чітко бачити як далеко, так і близько розташовані предмети? 4. Який дефект зору називають короткозорістю? Як його можна скоригувати? 5. Який дефект зору називають далекозорістю? Як його можна скоригувати? 6. Яку властивість зору називають інерцією зору? Наведіть приклади застосування цієї властивості.

Вправа № 16

1. Оптична сила лінз бабусиних окулярів -2,5 дптр. Якою є фокусна відстань цих лінз? Який дефект зору має бабуся?

2. На якій мінімальній відстані від ока людина з нормальним зором має розташувати дзеркальце, щоб, не втомлюючись, побачити чітке зображення ока?

3. Чому, щоб краще бачити, короткозора людина мружить очі?

4. Чому навіть у чистій воді людина без маски погано бачить?

5. Хлопчик читає книжку, тримаючи її на відстані 20 см від очей. Визначте оптичну силу лінз, які необхідні хлопчикові, щоб читати книжку на відстані найкращого зору для нормального ока.

6. Проведіть аналогію між фотоапаратом і оком людини. Які функції ока виконують різні частини фотоапарата? У разі потреби зверніться до додаткових джерел інформації.

7. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про методи профілактики вад зору. Як можна виправити зір?

Експериментальне завдання

Запропонуйте декілька способів, за допомогою яких можна визначити, який дефект зору (короткозорість чи далекозорість) коригують ті або інші окуляри. Знайдіть кілька різних окулярів (попросіть у рідних, сусідів, друзів) і перевірте, чи «працюють» запропоновані вами способи.

Фізика і техніка в Україні

Олександр Теодорович Смакула (1900-1983) — видатний український фізик і винахідник. Використавши поняття квантових осциляторів, О. Т. Смакула зміг пояснити радіаційне забарвлення кристалів і вивести кількісне математичне співвідношення, відоме в науці як «формула Смакули». Праці вченого створили передумови для синтезу вітамінів А, В2 та ін., а процес трансформації кристалічного вуглецю називають тепер «інверсією Смакули».

У 1935 р. О. Т. Смакула зробив відкриття, завдяки якому його ім'я назавжди залишиться в історії науки, — спосіб поліпшення оптичних пристроїв («просвітлення оптики»). Суть відкриття в тому, що поверхню лінзи вкривають шаром спеціального матеріалу завтовшки 1/4 довжини падаючої хвилі (десяті частки мікрометра), що значно зменшує відбивання світла від поверхні лінзи й водночас збільшує контрастність зображення. Це відкриття стало великим здобутком, адже лінзи є основним елементом більшості оптичних пристроїв (фотоапаратів, біноклів, мікроскопів тощо).

2000 рік був оголошений ЮНЕСКО роком О. Т. Смакули.