биология «Глаз человека как оптическая система

Терещенко А.П.
МОУ СОШ №10
Тема: «ГЛАЗ ЧЕЛОВЕКА КАК ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА»






Тип урока: интегрированный (физика – биология –
информационные технологии) урок изучения нового материала с
элементами самостоятельной исследовательской работы.
Задачи урока:
рассмотреть строение и свойства глаза; работу глаза как оптической
системы;
объяснить дефекты зрения и возможную профилактику и коррекцию
этих дефектов;
познакомиться с типами оптических иллюзий, попытаться дать им
объяснение;
ставить вопросы и находить ответы;
формировать умение работать коллективно, давать взаимооценку.
закрепить умение пользоваться ресурсами сети Интернет;
План урока
1
2
3
4
5
6
7
8
Строение «глазного яблока»
Зрение у животных
Ход лучей в оптической системе глаза
Дефекты зрения
Парадоксы зрения
«Не верь глазам своим»
Оптические иллюзии
Материалы, использованные при подготовке
1 Строение «глазного яблока»
Доказано, что более 90% информации об окружающем мире человек
воспринимает с помощью органов зрения. Световые лучи от источников света
или отражённые от различных тел, попадают нам в глаза, рефлекторно
обрабатываются мозгом и воспринимаются.
Глаза — замечательная оптическая система, созданная природой в ходе
эволюции. Наружную оболочку глазного яблока образует склера, она
защищает внутреннее содержимое глаза и обеспечивает его жесткость.
На передней поверхности склера переходит в тонкую прозрачную роговицу,
через которую в глаз проникает свет.
За роговицей расположена радужная оболочка с отверстием — зрачком.
Радужная оболочка представляет собой мышечное кольцо, окрашенное
пигментом. Это кольцо, сжимаясь или растягиваясь, меняет размеры зрачка и
тем самым изменяет световой поток, попадающий в глаз, т. е. действует как
диафрагма.
За радужной оболочкой находится хрусталик — эластичное линзоподобное
тело. Полость между роговицей и хрусталиком заполнена водянистой влагой;
за хрусталиком находится стекловидное тело.
Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело образуют
оптическую систему, аналогичную собирающей линзе с оптической силой
около 58,5 дптр (F = 17, 2мм). Оптический центр этой системы расположен на
расстоянии около 5 мм от роговицы.
Сетчатка представляет собой полусферу, состоящую из рецепторных клеток,
имеющих форму колбочек и палочек. Всего в глазу 125 млн. палочек и 6,5 млн.
колбочек. Эти светочувствительные клетки находятся на задней поверхности
сетчатки, которая лежит на сосудистой оболочке. В некоторой области сбоку
от оптической оси нервные клетки сетчатки объединяются и образуют
зрительный нерв, выходящий из глаза. В этом месте нет ни палочек, ни
колбочек, и потому оно образует нечувствительное к свету «слепое пятно». В
центре сетчатки, на оптической оси, находится центральная ямка — область
наибольшей остроты зрения. Здесь сосредоточены светочувствительные
колбочки, с помощью которых глаз ощущает цвета. В остальных участках
сетчатки расположены в основном палочки.
Под действием света в палочках происходит перестройка особого вещества—
зрительного пурпура (родопсина). Родопсин — это соединение одной из форм
витамина А (ретинена) с белком сетчатки (оксином). Под действием света
ретинен переходит из одной формы в другую (из цис- в транс-форму). Это
вызывает генерацию в клетке нервного импульса, который через зрительный
нерв передается в мозг. Генерация импульса происходит за счет энергии,
запасенной в рецепторной клетке, свет играет лишь роль «пусковою
механизма» для реакции. Этим объясняется высокая чувствительность палочек
— каждая палочка способна реагировать на один квант света.
Палочки осуществляют так называемое сумеречное зрение, с помощью
которого различаются размеры и форма предметов, но не их цвета. Цветовое
зрение осуществляется с помощью колбочек. Есть три типа колбочек, которые
различно реагируют на разные участки спектра. Одни из них лучше реагируют
на зеленый свет, другие — на красный и третьи — на синий свет.
Промежуточные цвета воспринимаются при одновременном раздражении двух
или трех типов колбочек. В зависимости от степени раздражения каждого из
этих типов колбочек мозг получает различные серии нервных импульсов и
интерпретирует это как разные цвета.
2 Зрение у животных
Японским ученым впервые удалось вырастить искусственные глаза и
пересадить их головастикам. Глаза головастиков были выращены из стволовых
клеток, которые были получены от животных на одной из стадий
эмбрионального развития. После имплантации глаз была зафиксирована
нормальная электрическая активность органа зрения и его реакция на свет.
У орла очень высокая острота зрения. Он может увидеть зайца с высоты 3
километров.
У самого большого в мире животного (голубого кита) – самые большие глаза.
Они у него величиной с футбольный мяч – около 23 см в поперечнике.
Собака не очень хорошо различает красный и оранжевый цвета, но отчетливо
видит синий и фиолетовый, а также ультрафиолетовые лучи. Собака же
хорошо видит либо прямо перед собой, либо в отдалении.
Удивителен хрусталик глаза у баклана. Его оптическая сила меняется на 50
дптр (у человека - на 14 дптр, у собаки - на 1 дптр). Поэтому баклан может
одинаково хорошо видеть в воздухе и под водой.
Сидя в засаде, лягушка видит только движущиеся предметы: насекомых или
своих врагов. В зависимости от размера предмета, она нападает или удирает.
Глаза хамелеона могут вращаться в разные стороны независимо друг от друга
и передавать две картинки в мозг. А уж дальше хамелеон решает, куда ему
двигаться.
У крабов стебельчатые глаза. Они обеспечивают обзор на 360 градусов в
любой плоскости и различают цвет и форму предметов.
У пауков-скакунов восемь глаз: два больших и шесть маленьких. Большие
снабжены мышцами и позволяют пауку следить за добычей, оставаясь
неподвижным. А маленькие расположены так, сто паук замечает все
происходящее сзади и сверху.
3 Ход лучей в оптической системе глаза
В оптической системе глаза хрусталик представляет собой бесцветное
тело, напоминающее по форме двояковыпуклую линзу. Передняя поверхность
хрусталика менее выпукла, чем задняя. Показатель преломления хрусталика
различен в различных его частях—or 1,405 до 1,454, Мышца, фиксирующая
хрусталик, может изменять его кривизну. Изменение кривизны хрусталика
определяет способность глаза к аккомодации — изменению оптической силы
глаза. Как только глаз переводится с одною предмета на другой, нарушается
резкость изображения, о чем в мозг приходит сигнал. Обратный сигнал из
мозга к мышце вызывает ее сокращение или растяжение до тех пор, пока не
получится резкое изображение.
4 Дефекты зрения
Точка, которую глаз четко видит при расслабленной мышце, называется
дальней точкой, видимая при максимальном напряжении,— ближней точкой.
Для нормального глаза дальняя точка лежит бесконечно далеко, ближняя точка
— на расстоянии около 15—20 см от глаза.
При близорукости дальняя точка лежит на конечном расстоянии, иногда при
сильной близорукости — очень близко от глаза. Соответственно и ближняя
точка, поэтому близорукие люди для лучшей видимости приближают
предметы к глазу. Близорукость вызывается либо вытянутостью глазного
яблока, либо спазмом мышцы. Коррекция близорукости производится с
помощью очков с вогнутыми линзами (рассеивающие линзы).
Дальнозоркость вызвана либо укороченностью глазного яблока, либо слабой
аккомодацией, что приводит к удалению ближней точки от глаза.
Дальнозоркость обычно возникает в старческом возрасте, когда хрусталик
теряет упругость, но встречается и врожденная дальнозоркость. Для коррекции
этого недостатка глаза применяются очки с выпуклыми линзами (собирающие
линзы).
5 Парадоксы зрения
Механизмы зрения, казалось бы давно и хорошо изученные, таят в себе
множество противоречий.
Нас всех учили в школе, в институтах, в научных и популярных статьях и
книгах, что глаз человека устроен подобно фотоаппарату. «Объектив» глаза —
хрусталик — проецирует изображение на чувствительные элементы сетчатки
— торцы палочек и колбочек, которые образуют «экран-фотопластинку».
Сетчатка представляет собой прозрачный, слегка мутноватый «листок»
толщиной около 0,1 мм. На его поперечном разрезе видны слои клеток,
получившие названия от первооткрывателей. На рисунках обычно приводится
стрелка, показывающая направление падения света на сетчатку. Вопреки всем
объяснениям она направлена не на торцы палочек и колбочек, а на обратную
их сторону! Слой палочек и колбочек (фоторецепторов) упирается торцами
(которые считаются светочувствительными элементами глаза) в темный
пигментный слой. Поэтому торцы палочек и колбочек не могут ничего
«видеть». По аналогии с техническими устройствами можно сказать, что свет
на сетчатку глаза падает не на «фотодиоды», а на «технологическую плату», на
которой они «распаяны». Об этом учебники, научные и популярные статьи
напрочь умалчивают.
Самый застарелый и интригующий парадокс зрения — как объяснить
обратную по отношению к падению света ориентацию палочек и колбочек в
сетчатке?
Рецепторы ночного зрения — палочки в глазу по форме есть именно
«палочки». Если их торец не может быть фоторецептором, то играть эту роль
должны их боковые поверхности. Это гарантирует высокую чувствительность
фоторецепторов глаза к направлениям падающих на них лучей света (боковые
поверхности колбочек конические, чем, в частности, объясняется более низкое
разрешение цветного зрения по сравнению с черно-белым).
6 «Не верь глазам своим»
В презентации урока представлены образцы графических обманов зрения,
принцип действия которых основан на особенностях зрения человека.
7 Оптические иллюзии
Нужно помнить, что восприятие зрительных образов — дело тонкое,
глубоко связанное с особенностями психики человека. Зная эти особенности,
можно без труда обмануть те отделы нашего мозга, которые анализируют
двухмерное изображение, зафиксированное сетчаткой глаза, и
восстанавливают по нему трехмерный образ исходного объекта. Специалистам
известно множество зрительных иллюзий, на использовании которых основано
немало цирковых фокусов. Кстати, не менее важно и обратное — умение на
плоском рисунке верно передать строение трехмерного объекта.
В презентации приводятся примеры трёхмерной графики на основе плоских
рисунков.
8 Материалы, использованные при подготовке
1. ПАРАДОКСЫ ЗРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ИХ УСТРАНЕНИЕ С
ПОМОЩЬЮ ЗАКОНОВ ФИЗИКИ. «Наука и жизнь» № 9, 2004.
2. «Глаз и небо» В.СУРДИН , «КВАНТ» - №3, 1995.
3. Материалы сайтов: http://
school-collection.edu.ru/
www.si-med.ru/guide/
festival.1september.ru/articles/530964/
www.excimerclinic.ru/cgi-bin/
www.glazmed.ru/…/correction-0001.shtml
sc.karelia.ru/…/8532eda7-c346-adcb-4685-5f867650a15e/
www.im-possible.info/…/articles/principles/principles.html