Оптична система ока людини.

Очі - дзеркало душі.

Мета.

Навчальна. Вивчити будову ока. З’ясувати причину та наслідки вад зору, ознайомитися з способами корекції вад зору.

Розвиваюча. Розвивати цікавість до предмету, кругозір.

Виховна. Виховувати ціннісне ставлення до людини.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: підруч. для 9 класу  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я., <<Читати онлайн>>
• Відео. Модель оптичної системи ока (Час показу 2:39 хв)
• Демонстрація. Модель оптичної системи ока (розбірна модель оптичної системи ока)
• Демонстрація. Модель утворення зображення на сітківці ока (колба з водою закрита гумовою пробкою, збиральна лінза, свічка, сірники, штатив з муфтою та кільцем).
• Відео. Око. Вади зору. Окуляри. (Час показу 8:12 хв)
• Демонстрація. Оптичні прилади, які розширюють можливості ока (лупа; телескоп; камера-обскура; мікроскоп з кристалами кухонної солі, мідного купоросу, лимонної кислоти та біхромату калію; бінокль; фотоапарат; проекційний апарат; перископ).

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Оптична система ока людини.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Оптична система ока людини.

Міркуємо разом. Матінка – природа нагородила нас великим дарунком – оком, адже бачити світ – велике щастя. Зір дає людині можливість отримувати 90 % інформації. Великий вчений, мислитель, винахідник, митець Леонардо да Вінчі говорив наступне:

« Око є вікном людського тіла, через котре він споглядає на свою дорогу і насолоджується красою світу… Воно виміряло висоту та величину світил, воно відкрило стихії…, воно породило архітектуру, перспективу та божественний живопис. Воно рухає людей зі сходу на захід, воно винайшло мореплавство, відкрило вогонь і отримало те, що забирає у нього темряву.»

Захоплення перед відомим інструментом людського тіла – оком – продовжується і нині, адже орган зору людини - око - один із найдосконаліших і водночас найпростіших оптичних пристроїв.

Як влаштоване око?

Чому деякі люди погано бачать і як скоригувати їхній зір?

Як з особливостями людського зору пов’язане виробництво мультиплікаційних фільмів?

Спробуємо відповісти на ці та інші запитання.

 Оптична система ока людини. Око людини — це природна оптична система. Око складається з кількох оптичних елементів, які разом призначені для створення зображення. Око має форму кулі діаметром приблизно 25 мм і зовні вкрите щільною непрозорою оболонкою — склерою. Передня частина склери переходить у прозору рогову оболонку — рогівку, що діє як збиральна лінза й забезпечує 75 % здатності ока заломлювати світло. 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.

Мал. Будова ока.

Здатність ока пристосовуватися до різної освітленості називають адаптацією. Лише кілька фотонів світла достатньо для роботи ока.

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.

Оптична сила ока складає порядку 70 дптр. Більше половини припадає на рогівку, 3-5 дптр мають разом рідина передньої камери і скловидне тіло, решта – кришталик.

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

Мал. Утворення зображення в оці.

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.

Дослідження. За допомогою  флеш-анімації “Акомодація ока” виконайте спостереження за змінами кришталика ока при його акомодації.  

Якщо людина дивиться на віддалені предмети, в її око потрапляють майже паралельні промені. У цьому випадку око найбільш розслаблене. 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 тримає книжку.

Легше розрізнити ті предмети, які видно під великим кутом зору, бо при збільшенні кута зору збільшується зображення на сітківці.

Відео. Око. Вади зору. Окуляри. (Час показу 8:12 хв)

 Інерція 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 в 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 прибирають, 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.

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. Стробоскоп та стробоскопічні фотографії.

 Цікавинки про зір. Ви, мабуть, помічали, що, коли настають сутінки, яскраві кольори «тьмяніють» і світ стає «чорно-біло-сірим». Так що не випадково народилося прислів’я «уночі всі коти сірі»! Але як тільки зійде сонце, ранок знову радує нас яскравими барвами. Чому ж так відбувається? Річ у тім, що вже знайомі вам палички, які відрізняють темне від світлого, дуже чутливі до світла, а колбочки, що розрізняють колір, набагато менш чутливі. Тому за слабкого освітлення «працюють» переважно палички. Внаслідок цього ми й бачимо (у буквальному сенсі цього слова!) результат їхньої роботи — чорно-біло-сірий світ.

У сітківці ока людини є 3 види колбочок, максимум чутливості яких припадає на червону, зелену і синю ділянки видимого спектру, тобто відповідає трьом „основним“ кольорам. Криві їх спектральної чутливості частково перекриваються, що забезпечує розпізнавання тисяч кольорів і відтінків у спектральному діапазоні довжин світлових хвиль 400—700 нм. Дуже сильне світло подразнює всі 3 типи рецепторів і тому сприймається як випромінювання сліпучо-білого кольору.

Ісаак Ньютон свою здогадку про те, що ми бачимо навколишній світ через тиск світла на сітківку ока, перевірив наступним чином: вирізавши зі слонової кістки тонкий випуклий зонд, запустив його собі в око і натиснув ним на задню сторону очного яблука. Кольорові спалахи та круги , які виникли під час експеременту тільки підтвердили гіпотезу вченого.

3. Запитання до уроку.

Запитання 34.1. За якої умови кришталик ока стає більш опуклим: коли око розглядає близький предмет чи далекий?

Запитання 34.2. На якій відстані від очей треба розмістити плоске дзеркало, щоб якнайкраще роздивитися своє обличчя без напруження очей?

Запитання 34.3. Кришталик людського ока може змінювати свою кривизну. Для чого це потрібно?

Запитання 34.4. На якому “екрані” створює зображення наше око? Яке це зображення?

Запитання 34.5. Як змінюються фокусна відстань і оптична сила кришталика ока, коли людина переводить очі зі сторінки книжки на хмари за вікном?

Запитання 34.6. Людина спостерігає за рибкою в акваріумі, яка намагається захопити корм. Кришталик ока людини чи риби повинен сильніше заломлювати світло, щоб гарно розгледіти оточуючі їх предмети.

Запитання 34.7. У воді людина бачить розмиті контури навколишніх предметів. Чи означає це, що під водою око стає дуже короткозорим або дуже далекозорим? Відповідь обґрунтуйте.

4. Домашнє завдання.

Підручник: §16.

Задача 34.1. Замалюйте до зошита схематичне зображення оптичної системи ока, підпишіть основні елементи.

Задача 34.2. Скільки картинок потрібно намалювати художнику, щоб одержати мультиплікаційний фільм тривалістю 10 хв?

Тести онлайн. Оптична система ока людини (Версія для друку) (Відповіді учнів)

Усне опитування по запитаннях до уроку.

5. Перевір себе.

6. Для допитливих.

Зір людини та тварин. Зазвичай, порівнюючи око з фотоапаратом, роль об’єктива приписують хрусталику. Тим часом основною заломлюючою поверхнею ока людини і наземних тварин є рогівка, а не кришталик. Оптична сила рогівки людини дорівнює 43 діоптріями, а кришталика – від 20 до 30 діоптрій, в залежності від його опуклості, мінливої в ході акомодації – наведення на фокус. Це пов’язано з тим, що різниця в показниках заломлення повітря і рогівки (1,37) більше, ніж між кришталиком (1,38) і оточуючими його середовищами (1,33).

Під водою нам доводиться надягати маску, щоб зберегти повітряне середовище перед рогівкою, бо на кордоні води і рогівки переломлення недостатнє, і зображення виходить нерізким. Кришталик ж відіграє роль особливого елемента оптичної системи ока. Зміна його опуклості дозволяє отримувати різке зображення предметів, розташованих і далеко і близько від очей.

У риб наводка на різкість досягається не зміною ступеня опуклості кришталика, а його переміщенням (до речі, рогівка у риб практично не заломлює променів світла, і кришталик служить єдиним оптичним елементом очей; око риби за способом наведення на різкість подібне до фотоапарату).

Зміна опуклості кришталика відбувається за рахунок його пружних властивостей і скорочення відповідних м’язів. З механізмом акомодації пов’язано таке явище: якщо дивитися на концентричні кола з невеликої відстані, то створюється враження обертового пропелера. Справа в тому, що напруга аккомодуючих м’язів складається з численних швидко слідуючих один за одним скорочень безлічі волокон. Тому кришталик має коливну поверхню; в різні миті виявляються більш чітко зображеними різні сектори кіл, і при їх послідовній зміні створюється враження обертання цих секторів. Можливо, з тієї ж причини у нас «рябить в очах», коли ми дивимося на шаховий малюнок з дрібних чорних і білих квадратиків. Так як ефект залежить від напруги аккомодуючих м’язів, то він зникає, якщо розслабити м’яз (налаштувати погляд на глядіння вдалину).

Заломлююче середовища ока, як і більшість заломлюючих середовищ, найсильніше заломлюють фіолетові і сині промені, слабкіше за все – червоні. Якщо світло від далекого джерела пропускати через край зіниці (за допомогою маленької діафрагми або заслінки, зробленої з смужки чорного паперу), то на краю рогівки воно розкладається в спектр, як у призмі. Особливо чітко це видно при спостереженні синього залізничного сигнального знака; світлофільтри цього сигнального знака пропускають, крім синього, ще й червоне світло, тому при частковому затулянні зіниці зображення сигналу розпадається на дві абсолютно роздільних плями – червону і синю.

Червоні і зелені вогні реклами видні чітко при дещо різній напрузі акомодації: для червоного – кришталик повинен бути дещо випукліше, для зеленого – більш плоским. Оцінюючи відстань до предмета, ми підсвідомо враховуємо напругу аккомодуючих м’язів, потрібну для чіткого бачення предмета. В результаті червоний вогонь реклами здається розташованим ближче зеленого.

Діаметр зіниці нашого ока змінюється в залежності від освітлення від 7-8 до 1,5 мм, тобто приблизно в 5 разів. Значить, його площа і кількість минаючого світла змінюється приблизно в 25 разів. Це не дуже багато. У фотоапаратах діаметр відносного отвору змінюється, принаймні, в 10 разів, а то й більше, так що світлосила може бути змінена в сотні разів. Між іншим, у багатьох нічних тварин, яким доводиться днем захищатися від надлишкового світла, зіниця не круглі, як у нас, а щілиноподібні. У чому переваги такої зіниці! Кругла зіниця звужується за рахунок скорочення кільцевих м’язів. Для зменшення площі зіниці в 100 разів м’язові волокна мають скоротитися приблизно в 10 разів. Якщо ж зіниця утворена двома пучками волокон, закріплених по кінцях, то досить вкоротити їх у півтора рази, щоб площа зіниці зменшилася в сотні разів. Щілиноподібною зіницею володіють кішки, змії, крокодили, нічні ящірки – гекони. Але сов чомусь природа наділила все-таки круглими зіницями.

Абсолютна чутливість ока пов’язана якимось чином з пристроєм фоторецепторів, паличок і колб. У нічних тварин переважають високочутливі палички, у денних (ящірки, птахи, ховрахи) – менш чутливі колбочки. У багатьох тварин сітківка «змішана», тобто містить і палички і колбочки. У сітківці людини вони розподілені нерівномірно: в центральній ямці сітківки, куди проектується зображення предмета при уважному розгляданні, є тільки колбочки, а на периферії сітківки переважають палички.

З різною чутливістю рецепторів і нерівномірним розподілом в сітківці пов’язаний секрет бачення в темряві. Щоб темної ночі розглянути який-небудь предмет, треба дивитися не прямо на нього, а трохи вбік. У цьому можна переконатися, розглядаючи слабку зірку на небі: щоб краще її побачити, треба дивитися повз неї.

Для порівняння, орган зору тварин відрізняються не лише по формі та кольору, але і по функційних можливостях. Хижаки орел та яструб мають непропорційно велике око, тому здатні розрізняти з великої висоти малі рухомі предмети; гримуча змія бачить в інфрачервоному світлі, а очі жаб – це «жива» ЕОМ, котре збудовано так, що не помічає нерухомі несуттєві частини зображення – наприклад тінь від дерева, але моментально реагує на рух комах.