|
Открытая Уральская межрегиональная конференция-олимпиада юных
исследователей «Интеллектуалы XXI века»
«Исследование разрешающей способности глаза»
Автор: Клокова Таня
9 "а" класс,
МБС(К)ОУ С(К)ОШ №127
Научный руководитель:
Мальцева Нина Михайловна,
учитель физики,
высшей категории
МБС(К)ОУ С(К)ОШ №127
Челябинск, 2012
Введение
Актуальность исследования: МБС(К)ОУ С(К)ОШ № 127 – специальная
коррекционная школа для детей с нарушениями зрения. Поэтому
исследование разрешающей способности глаза является одним из условий
правильного определения посадки учащихся в кабинетах во время занятий.
Объект исследования: разрешающая способность глаза.
Предмет исследования: физические факторы, влияющие на разрешающую
способность глаза.
Цель исследования: исследовать разрешающую способность глаза при
искусственном и естественном освещении.
Задачи исследования:
1. Расширить и применить знания о зрение и
разрешающей способности глаза.
2. Познакомиться с соответствующей литературой, и изучить информацию на
учебных сайтах.
3. Выполнить измерение и сравнение разрешающей способности глаза.
4. Сформулировать выводы.
Методы исследования:
1) теоретический метод: изучение актуальности выбранной темы, анализ
литературы и сайтов, определение основных этапов эксперимента, подбор
материала, определение необходимого комплекса средств для выполнения
эксперимента, формулировка выводов;
2) практический метод: набор материала на компьютере, построение
таблиц;
3) экспериментальный метод: проведение эксперимента по исследованию.
Основная часть
Глаз (лат. oculus) — сенсорный орган (орган зрительной системы)
человека и животных, обладающий способностью воспринимать
электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и
обеспечивающий функцию зрения. У человека через глаз поступает около 90
% информации из окружающего мира. Глаз иногда по праву называют живым
фотоаппаратом, так как оптическая система глаза, дающая изображение,
сходна с объективом фотоаппарата.
Рассмотрим подробнее строение глаза человека (см. Приложение 1).
Глаз прикрыт спереди верхним и нижним веками. Снаружи веки покрыты
кожей, а изнутри тонкой оболочкой – конъюнктивой. В толще век
располагаются слезные железы. Жидкость, которую они вырабатывают,
увлажняет слизистую оболочку глаза, поэтому поверхность глазного яблока
всегда влажная. Веки свободно скользят по слизистой, защищая глаз от
неблагоприятных факторов окружающей среды. Под кожей век расположены
мышцы глаза: круговая мышца и подниматель верхнего века. С помощью этих
мышц глазная щель открывается и закрывается. По краям век растут
ресницы, выполняющие защитную функцию.
Глазное яблоко движется с помощью шести мышц. Все они работают
согласованно, поэтому движение глаз – их перемещение и поворот в разные
стороны – происходит свободно и безболезненно. В верхней части глазницы
расположена слезная железа. В ней образуется слезная жидкость, которая
через слезные канальцы и слезный мешок попадает в полость носа.
Глаз человека состоит из глазного яблока и зрительного нерва с его
оболочками. У человека и позвоночных имеется по два глаза,
расположенных в глазных впадинах черепа. Глаз человека и многих
животных имеет почти шарообразную форму. Глазное яблоко человека имеет
диаметр приметно 25 мм. Оно состоит из трех оболочек: наружной,
средней, и внутренней.
Наружная оболочка глаза состоит из склеры и роговицы. Глаз защищен
плотной оболочкой, называемой склерой. Склера составляет 5/6 площади
наружной оболочки и осуществляет защитную функцию, обеспечивая
постоянство формы, объема и тонуса глаза. Склера сильно истончена в
области заднего полюса глаза, где она превращается в решетчатую
пластику, через которую проходят волокна, образующие зрительный нерв
глаза. В передней части склеры, почти на границе перехода ее в роговую
оболочку, заложен круговой синус, т.н. шлемов канал (по имени немецкого
анатома Ф.Шлемма, впервые описавшего его), который участвует в оттоке
внутриглазной жидкости. Спереди склера покрыта тонкой слизистой
оболочкой – конъюнктивой, которая кзади переходит на внутреннюю
поверхность верхнего и нижнего век. Передняя часть склеры – роговая
оболочка, или роговица, прозрачна.
Роговица имеет переднюю выпуклую и заднюю вогнутую поверхность; толщина
её в центре около 0,6 мм, на периферии — до 1 мм. По оптическим
свойствам роговица — наиболее сильная преломляющая среда глаза. Она
также является как бы окном, через которое в глаза проходят лучи света.
В роговице нет кровеносных сосудов, её питание осуществляется за счёт
диффузии из сосудистой сети, расположенной на границе между роговицей и
склерой. Благодаря многочисленным нервным окончаниям, расположенным в
поверхностных слоях роговицы, она самая чувствительная наружная часть
тела. Даже лёгкое касание вызывает рефлекторное мгновенное смыкание
век, что предупреждает попадание на роговицу инородных тел и ограждает
ее от холодных и тепловых повреждений.
Средняя оболочка глаза состоит из радужки, ресничного тела и сосудистой
оболочки. Эти три отдела составляют сосудистый тракт глаза, который
располагается под склерой и роговицей. Непосредственно за роговицей
находится передняя камера глаза — пространство, заполненное прозрачной
жидкостью, т. н. камерной влагой, которая по химическому составу близка
к спинномозговой жидкости. Передняя камера имеет центральный (глубиной
в среднем 2,5 мм) и периферические отделы — угол передней камеры глаза.
В этом отделе заложено образование, состоящее из переплетающихся
фиброзных волокон с мельчайшими отверстиями, через которые происходит
фильтрация камерной влаги в шлеммов канал, а оттуда — в венозные
сплетения, расположенные в толще и на поверхности склеры. Благодаря
оттоку камерной влаги поддерживается на нормальном уровне внутриглазное
давление.
Задней стенкой передней камеры является радужка. Радужка имеет губчатую
структуру и содержит пигмент, в зависимости от количества которого и
толщины оболочки цвет глаз может быть тёмным (чёрный, коричневый) или
светлым (серый, голубой). В радужке находятся также две мышцы,
расширяющие и сужающие зрачок, который выполняет роль диафрагмы
оптической системы глаз, — на свету он сужается (прямая реакция на
свет), ограждая глаза от сильного светового раздражения, в темноте
расширяется (обратная реакция на свет), позволяя улавливать очень
слабые по яркости световые лучи. Между роговицей и радужной оболочкой
находится водянистая жидкость или передняя камера. Роговица имеет форму
сферической чашечки диаметром около 12 мм и толщиной 1 мм. Радиус
кривизны ее в среднем 8 мм. Показатель преломления 1,38.
В центре радужной оболочки имеется отверстие – зрачок, размер которого
при помощи мышечных волокон, управляемых из центральной нервной
системы, может меняться. Зрачок меняется от 2-3 мм при ярком освещении
до 6-8 мм при слабом. Таким образом регулируется количество света,
проходящего внутрь глаза.
Непосредственно позади зрачка находится хрусталик, прозрачное и упругое
тело. Хрусталик по форме близок к двояковыпуклой линзе. Диаметр его
8-10 мм. Радиус кривизны передней поверхности в среднем 10 мм, а задней
6 мм. Показатель преломления вещества хрусталика 1,44. Хрусталик
окружен мышцами, прикрепляющими его к склере. За хрусталиком
расположено стекловидное тело, относящееся к оптической системе глаза и
представляющее собой желеобразную массу. Оно прозрачно и заполняет всю
остальную часть глаза.
Свет, попадающий в глаза, преломляется и проецируется на задней
поверхности глаза, на слое, который называется сетчаткой. Сетчатка
(светочувствительная пленка) – очень тонкое, нежное и исключительно
сложное по структуре и по функциям нервное образование, самостоятельный
анализатор и приемник световых волн и импульсов. Разные части сетчатки
воспринимают лучи от различных областей поля зрения. Сетчатая оболочка
имеет толщину около 0,5 мм и состоит из нескольких слоев, содержащих
волокна зрительного нерва. Сетчатка состоит из палочек и колбочек и
нервных клеток, от которых возбуждение идет в головной мозг. В них
происходит преобразование физической энергии лучей света, попадающих в
глаза, в нервный импульс, который по зрительно-нервному пути передаётся
в затылочную долю головного мозга, где и формируется зрительный образ.
Общее число колбочек ≈ 7 ∙ 10 6, а палочек ≈ 100 ∙ 10 6. Колбочки
сосредоточены в центральной части сетчатки, в желтом пятне, и особенно
в его центральной ямке. Палочки расположены главным образом в
периферических частях сетчатки.
Палочки имеют высокую светочувствительность, но не обеспечивают
различение цвета. Колбочки имеют более низкую светочувствительность и
создают ощущение цвета. В центре сетчатки расположена область жёлтого
пятна, которая осуществляет наиболее тонкое и дифференцированное
зрение. В носовой половине сетчатой оболочки, примерно в 4 мм от
жёлтого пятна, находится место выхода зрительного нерва, образующее
диск диаметром в 1,5 мм. Из центра диска зрительного нерва выходят
сосуды — артерия и вена, которые делятся на ветви, распределяющиеся
почти по всей поверхности сетчатой оболочки. Сетчатка человека устроена
необычным образом – она как бы перевернута. Одна из возможных причин
этого – расположение позади рецепторов слоя клеток, содержащих черный
пигмент меланин. Меланин поглощает свет, идущий через сетчатку, не
давая ему отражаться обратно и рассеиваться внутри глаза. По сути, он
играет роль черной краски внутри фотокамеры, которой является глаз.
Движения глазных яблок возможны благодаря аппарату, состоящему из 4
прямых и 2 косых мышц; все они начинаются от фиброзного кольца у
вершины орбиты и, веерообразно расширяясь, вплетаются в склеру.
Сокращения отдельных мышц глаза или же их групп обеспечивают
координированные движения глаз.
Работа глаза обеспечивается и его вспомогательным аппаратом. Веки
защищают его, облегчая своими движениями увлажнение поверхности глаза
слезной жидкостью. Внутренняя поверхность век выстлана конъюнктивой –
защитной оболочкой, переходящей с век на глазное яблоко. В этих местах
перехода она образует складки, способствующие движениям глаза. Слезная
жидкость вырабатывается железой, расположенной в глазнице. Она
выделяется в верхненаружную часть конъюнктивной щели, распространяется
по всей передней, покрытой конъюнктивой поверхности глаза, поступает к
внутреннему углу видимой части глазного яблока и особым механизмом
насасывается в тонкий канал, который находится в крае каждого века.
Через них жидкость поступает в слезный мешок, а потом удаляется в
носовую полость.
Оптическая система глаза – роговица, хрусталик, стекловидное тело.
Главная оптическая ось системы ОО проходит через геометрические центры
роговицы, зрачка и хрусталика. В глазе различают еще зрительную ось
О'О', проходящую через центр хрусталика и желтое пятно. В этом
направлении глаз имеет небольшую светочувствительность. Оптическая и
зрительная оси образуют небольшой угол ≈ 50.
Изображение предмета глазом получается и воспринимается следующим
образом. Свет, падающий в глаз, преломляется на передней поверхности
глаза (роговице) на границе ее с воздухом. Поэтому из всех преломляющих
сред роговица имеет наибольшую оптическую силу (40 дптр). Затем свет,
проходя через хрусталик, еще преломляется. Оптическая сила хрусталика
16-20 дптр. Свет еще преломляется в передней камере и стекловидном
теле, оптическая сила которого 3-5 дптр. Итак, оптическая сила глаза ≈
63 дптр, благодаря чему на сетчатке глаза образуется действительное,
уменьшенное и перевернутое изображение рассматриваемых предметов.
Свет, падая на окончания зрительного нерва, из которых состоит
сетчатка, раздражает эти окончания. Раздражения по нервным волокнам
передаются в мозг, и человек получает зрительное впечатление, то есть
видит предметы. Процесс зрения корректируется мозгом, поэтому мы
предметы воспринимаем не перевернутыми.
Когда мы переводим взгляд с удаленного предмета на близкий и наоборот,
на сетчатке создается четкое изображение, потому что изменяется
кривизна хрусталика. Когда мы смотрим на дальние предметы, то кривизна
хрусталика сравнительно невелика. В этом случае мышцы, поддерживающие
хрусталик, будут расслаблены, и хрусталик будет вытянут. А когда
переводят взгляд на близлежащие предметы, то мышцы сжимают хрусталик.
Тогда кривизна хрусталика и оптическая сила увеличиваются.
Способность глаза приспосабливаться к видению, как на близком, так и на
далеком расстоянии, называется аккомодацией глаза. Предел аккомодации
глаза наступает, когда предмет находится на расстоянии 12 см от глаза.
Огромное преимущество дает зрение двумя глазами. Во-первых, мы видим
большее пространство, то есть увеличивается поле зрения. Во-вторых,
зрение двумя глазами позволяет различать, какой предмет находится
ближе, а какой дальше от нас. На сетчатке левого и правого глаза
получаются разные изображения, мы как бы видим предметы слева и справа.
И чем ближе предмет, тем заметнее это различие, оно и создает
впечатление разницы в расстоянии, хотя изображения сливаются в нашем
сознании в одно. Благодаря зрению двумя глазами, мы видим предметы не
плоскими, а объемными.
Только благодаря аккомодации глаза изображение предметов получается на
сетчатке глаза. Это происходит, если глаз нормальный. Глаз называется
нормальным, если он в ненапряженном состоянии собирает параллельные
лучи в точке, лежащей на сетчатке.
Острота зрения – способность глаза различать мелкие детали изображения.
Каждый предмет мы видим под определенным углом зрения. Это угол,
который образуется линиями, идущими через так называемую узловую точку
в хрусталике и концы предмета. Разные по величине предметы, видимые под
одинаковым углом зрения, дают на сетчатке изображения одного и того же
размера.
Нормальной остротой зрения, принятой за 1,0, считается острота зрения,
при которой глаз воспринимает раздельными две точки (две детали
предмета), видимые под углом в 1 минуту дуги. Довольно часто
встречается острота зрения здорового глаза, равная 1,5 единицы, реже –
2 единицам. Острота зрения здорового глаза зависит от особенностей его
строения.
Для определения остроты зрения используется специальная таблица
Головина-Сивцева. В ней – 12 строк букв разной величины. 10-я сверху
строка соответствует остроте зрения, равной 1,0: с расстояния в 5
метров она читается под углом в 1 минуту. 11-я строка – 1,5 единицы,
12-я – 2 единицам остроты зрения.
Человек с нормальным зрением, оказавшийся в условиях резкого уменьшения
освещенности, спустя какое-то время восстанавливает способность
различать окружающие предметы. Глаз, благодаря работе палочкового
аппарата, приспосабливается к темноте. Эта способность глаза называется
темновой адаптацией. Адаптационные свойства глаза исследуются с помощью
специальных приборов.
Нарушение темновой адаптации – гемералопия – может быть врожденным, но
чаще является симптомом тяжелого заболевания глаза, причем этот симптом
может быть самым ранним.
Бинокулярное зрение – это одновременное видение предмета обоими
глазами, в результате которого оба его изображения сливаются в одно.
Для осуществления бинокулярного зрения необходимо, чтобы изображения
предмета на сетчатке обоих глаз соответствовали друг другу по величине
и форме и попадали на соответствующие участки сетчатки. При
бинокулярном зрении каждый глаз видит предмет несколько иначе (с разных
точек зрения), и при совместной обработке обоих изображений головной
мозг получает информацию об объемности, глубине, стереоскопичности
наблюдаемой картины.
Бинокулярное зрение имеет ряд преимуществ перед видением одним глазом:
оно повышает остроту зрения, но главное – позволяет определять форму
предметов и оценивать расстояние до них.
Глаз способен различать несколько тысяч цветовых оттенков. Общепринята
трехкомпонентная теория цветового зрения. В сетчатке предполагается
наличие трех видов колбочек с различными светореагирующими веществами
для восприятия красного, синего и зеленого цветов. Ощущение цветовых
оттенков зависит от степени возбуждения каждого из этих элементов.
Например, при освещении глаза красными лучами сильнее всего
возбуждаются колбочки, ощущающие красный цвет. Ощущение белого цвета
возникает, когда в определенной пропорции возбуждены все три
компонента. Для нормального цветоощущения должны присутствовать и быть
работоспособными все три компонента.
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.
Минимальный угол зрения, под которым две светящиеся точки или две
черные точки на белом фоне воспринимаются глазом еще раздельно,
составляет приблизительно одну минуту. 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 10.
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.
Практическая часть.
Исследование разрешающей способности глаза.
Задание 1.
Определить разрешающую способность глаза учащихся 10-а класса, наблюдая
за двумя близко расположенными точками на белом листе с разных
расстояний при естественном освещение.
Задание 2.
Определить разрешающую способность глаза учащихся 10-а класса, наблюдая
за двумя близко расположенными точками на белом листе с разных
расстояний при искусственном освещение.
Задание 3.
Сравнить полученные результаты и сделать выводы.
Оборудование к заданиям 1,2.
-игла
-лист миллиметровой бумаги
-лист белой бумаги
-линейка
Выполнение задания.
1. Для наблюдения используется лист белой бумаги, на котором отмечены
две чёрные точки на расстоянии 1 мм друг от друга.
2. В качестве экрана берём полоску миллиметровой бумаги, в которой
иглой прокалываем отверстия диаметром d1 = 0,5 мм; d2 = 1 мм; d3 = 1,5
мм; d4 = 2 мм.
3. Измеряем максимальное расстояние от глаза наблюдателя до листа с
точками, при котором через данное отверстие две точки ещё видны
раздельно.
4. Принимая расстояние l между точками, равное 1 мм, за длину дуги -
окружность, а расстояние R от глаза до листа бумаги - за радиус
окружности, вычисляем минимальное угловое расстояние между точками при
наблюдение через отверстия диаметром d1 = 0,5 мм; d2 = 1 мм; d3 = 1,5
мм; d4 = 2 мм по формуле:
φ = = = ,
где φ – разрешающая способность глаза.
Результаты исследования см. в Приложение 2.
5. Строим график зависимости разрешающей способности глаза от диаметра
отверстия и освещения.
См. Приложение 3.
6. Устанавливаем значение угла, при котором практически не меняется
разрешающая способность глаза при дальнейшем изменении диаметра
отверстия в экране.
7. Оцениваем линейные размеры светочувствительных элементов глаза -
колбочек.
Примечание: расстояние от роговицы до сетчатки глаза примерно равно 18
мм, и считаем, что два точечных источника света регистрируются глазом
как раздельные, если расстояние между их изображениями превышает
удвоенный размер колбочек.
Заключение
При естественном освещении любой человек, вне зависимости от
своего зрения видит предметы лучше, чем при искусственном освещении.
Анализ таблиц и графиков исследования это подтверждает, т.к. при
исскуственном освещении
разрешающая способность глаза уменьшается.
Учащиеся, имеющие небольшой угол зрения, должны сидеть ближе к доске.
Исследования показали, что из испытуемых к таким относятся учащиеся
Власов Павел и Клокова Татьяна, поэтому им рекомендую сидеть на первых
партах. Остальные могут сидеть как на 1-х, так и на 2-х рядах.
Список литературы
1. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 11 класс. [текст]. – М.:
ВАКО. – 2006. – 464 с.
2. Горлова Л.А. Интегрированные уроки физики: 7 – 11 класс. [текст]. –
М.: ВАКО. – 2010. – 144 с.
3. Гунин А.Г. Гистология в таблицах и схемах. [электронный ресурс]. -
http://www.histol.chuvashia.com/tables/sens-2.htm
4. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. [текст]. – М.:
Просвещение. – 1976. – 176 с.
5. Мажуль В.М., Зайцева Е.М., Щербин Д.Г., Чекина А.Ю., Голуб О.М.
Фосфоресцентный анализ ткани хрусталика в норме и при катаракте.
[электронный ресурс]. –
http://www.eyenews.ru/pages.php?id=932&glaukoma=
6. Манойлов В.Е. Электричество и человек. [текст]. – Ленинград. – 1988.
– 224 с.
7.Строение глаза. [электронный ресурс].-
http://colinz.ru/osnov.php?idstat=50&idcatstat=15
8. Филиппов П.П., Аршавский В.Ю., Дижур А.М. Биохимия зрительной
рецепции. [текст]. – М.: ВИНИТИ. – 1987. – 148 с.
9. Электив 9: Физика. Химия. Биология: Конструктор элективных курсов
(Межпредметных и предметно-ориентированных). [текст]/ Под ред. С.В.
Дендебер, Л.В. Зуевой и др. – М.: 5 за знания. – 2006. – 302 с.
10. Элементарный учебник физики. [текст]/ Под ред. Г.С. Ландсберга. –
М.: Наука. – 1986. – 656 с.
|
