Optilise silma instrumendi materjal
Silm on inimesele omane optiline instrument. See võimaldab sul lugeda füüsikaartiklit 😀 või vaadata ilusa või nägusa poiss-sõbra nägu 🙂 Mis siis, kui su silmad ei tööta korralikult? Sa tead kindlasti sellele küsimusele vastust. Seega ole tänulik, kui sul on ikka veel terved silmad ja sa näed selgelt. Pime inimene kindlasti ei näe ja saab ainult ette kujutada maailma, milles me täna elame.
Terved ja hästi funktsioneerivad silmad on igaühe lootus. Tegelikkus jääb aga mõnikord ootustest maha. Mõned inimesed on määratud kogema silmade talitlushäireid, mis takistavad neil selgelt näha. Teaduse, eriti füüsika edusammud on võimaldanud luua nägemisvahendeid, nagu prillid ja kontaktläätsed.
See artikkel uurib, kuidas silm töötab, võimaldades inimestel näha. Silma toimimise selgitus selles artiklis on seotud geomeetrilise optika teemaga , mis hõlmab valguse murdumist, fokuseerimist ja objektide kujutiste moodustamist silma abil. Silma ja selle tegeliku toimimise üksikasjalik selgitus jääb selle artikli raamidest välja. Silma talitlushäireid, prillide ja kontaktläätsede toimimist selgitatakse järgmistes artiklites.
Silma osad
sarvkest või silma membraan on kõva, poolläbipaistev membraan, mis katab silma esiosa. Silma sisenevad valguskiiri murrab sarvkest suuremal määral.
Õpilane või silmamunad Pupill on inimese silma must osa. Pupill on must, mistõttu neelab see peaaegu kogu valguse ja ei peegelda peaaegu üldse tagasi. Pupill on ava, mille kaudu valgus silma siseneb. Mida suurem on pupill, seda rohkem valgust silma siseneb ja vastupidi, mida väiksem on pupill, seda vähem valgust silma siseneb.
Iiris või iiris Iiris kontrollib pupilli suurust. Kui silma ümbritsev keskkond on väga hele, siis iirise pupilli ahendab ja hämaras keskkonnas laiendab iirise pupilli, lastes silma rohkem valgust siseneda. Kui olete kunagi täheldanud kassi pupillide erinevust päeval ja öösel, saate iirise funktsioonist kergesti aru.
Ripslihase ülesanne on muuta silmaläätse kõverust. Silmaläätse kõveruse muutused mõjutavad silmaläätse fookuskaugust. Kui silm vaatleb väga kaugel asuvat objekti, siis ripslihas lõdvestub, nii et läätse kõverusraadius suureneb ja läätse fookuskaugus suureneb. Kui silm vaatleb lähedal asuvat objekti, siis ripslihas tõmbub kokku, nii et läätse kõverusraadius väheneb ja läätse fookuskaugus väheneb. Seega on ripslihase kaudseks ülesandeks kontrollida silmaläätse fookuskaugust, et silm saaks objekti kujutist hästi fokuseerida. Silmaläätse fookuskauguse muutusi nimetatakse silma akommodatsiooniks.
Silma lääts on koondav lääts, tuntud ka kui kumer lääts või positiivne lääts . Kuigi suurem osa silma sisenevast valgusest murdub sarvkestas, murrab ja fokuseerib lääts ka valguskiiri nii, et objekti kujutis tekib täpselt võrkkestale. Objektide selgeks nägemiseks peab kujutis tekkima võrkkestale. Võrkkest muundab valguslained elektrilisteks signaalideks, mis seejärel edastatakse nägemisnärvi kaudu ajju.
Maksimaalne ja minimaalne majutus
Silma akommodatsioon on silmaläätse fookuskauguse (f) reguleerimine vastavalt silma poolt nähtava objekti kaugusele, nii et objekti kujutist saab võrkkestale fokuseerida. Silmaläätse fookuskaugus on kaugus läätse ja läätse fookuspunkti vahel (F). Läätse kõveruse muutused põhjustavad läätse kõverusraadiuse muutuse ja seetõttu muutub läätse fookuskaugus, nagu pildil näidatud.
Kui silm vaatleb eset kauge punkt, ripslihas lõdvestub (lõdvestub), mille tagajärjel silmalääts muutub lamedamaks, nii et läätse kõverusraadius ja fookuskaugus suurenevad. Kaugeim punkt on kõige kaugemal asuv punkt, kuhu silm suudab teravustada, kusjuures silma tavaline kaugpunkt on lõpmatus. Kui silm reguleerib läätse fookuskaugust, et teravustada kaugel asuvale punktile või lõpmatuses olevale objektile, siis silm minimaalne majutus.
Teisest küljest, kui silm vaatleb lähedalt asuvat objekti, siis ripslihas pingestub (tõmbub kokku), põhjustades silmaläätse kõveruse suurenemist, mille tulemusel läätse kõverusraadius ja fookuskaugus suurenevad. Silmale lähima objekti kaugust, millele silm veel teravustada suudab, nimetatakse lähedal asuv punktKeskmise inimese lähipunkti läbimõõt on 25 cm. Kui silm teravustab objektile lähedal asuvas punktis (25 cm), siis silm akommodeerub maksimaalselt.
Objekti varju moodustumine
Väga kauge objekti kaugus
Kui objekti kaugus on lõpmatu, muutub silmalääts lamedamaks, nii et läätse fookuskaugus suureneb, kusjuures fookuskaugus (f) peab olema võrdne kujutise kaugusega (s'). Kujutise kaugus on kaugus läätse ja silma murdunud valguskiirte ristumispunkti vahel. Valguskiirte ristumispunkt langeb kokku võrkkestaga. Seega võib järeldada, et kui silm vaatleb lõpmatul kaugusel asuvat objekti, muutub silmaläätse kõverus lamedamaks, kuni läätse fookuskaugus (f) on võrdne silmaläätse ja võrkkesta vahelise kaugusega. Valguskiired peavad võrkkestas ristuma, et võrkkesta närvirakud saaksid valguse muuta elektrilisteks signaalideks ja seejärel nägemisnärvi kaudu ajju edastada.
Järgnev on matemaatiline tõestus selle kohta, miks objektiivi fookuskaugus (f) peab olema sama kui kujutise kaugus (s'), kui objekti kaugus (s) on väga kaugel või kui eeldatakse, et objekt on lõpmatult kaugel. Fookuskauguse (f), objekti kauguse (s) ja kujutise kauguse (s') vahelist seost väljendatakse järgmise võrrandiga.
1/f = 1/s + 1/s' —– Võrrand 1
Okulaar on koondav lääts, seega on fookuskaugus (f) positiivne. Objekti kaugus (s) on lõpmatu, seega asendage võrrandis 1 objekti kaugus (s) lõpmatuse sümboliga.
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– Võrrand 2
Valem 2 näitab, et koondava läätse või kumera läätse puhul, kui objekti kaugus on lõpmatu, on fookuskaugus (f) sama kui kujutise kaugus (s').
Väga lähedal asuva objekti kaugus
Mis siis, kui objekt on silmale lähedal? Nõguslääts võib moodustada nii virtuaalseid kui ka reaalseid kujutisi. Reaalne pilt tekib kumera läätse abil, kui objekti kaugus (s) on suurem kui läätse fookuskaugus (f). Seda on käsitletud teemas kumera läätse pilt.
Varem selgitati, et lähim objekt, mida normaalne silm suudab korralikult fokuseerida, on 25 cm kaugusel. Seega peab fookuskaugus olema väiksem kui 25 cm. See ei saa olla ka 25 cm, sest kui see oleks, oleks kujutis lõpmatuses, mis on pupilli väiksust arvestades ebamõistlik.
Silmaläätsesüsteemi fookuskauguse (f) hindamise arvutus:
1/f = 1/s + 1/s' —– Võrrand 1
Normaalse silma lähim punkt on 25 cm, seega on lähima objekti kaugus (s) 25 cm. Sarvkesta ja silma vaheline kaugus on umbes 2,5 cm. Kujutis on selge, kui valguskiir langeb võrkkestale, seega loetakse sarvkesta ja läätse vahelist kaugust kujutise kauguseks (s').
1/f = 1/s + 1/s'
1/f = 1/25 + 1/2,5 = 1/25 + 10/25 = 11/25
f = 25/11
f = 2,27 cm
Kujutise kauguse (s') ja fookuskauguse (f) vahe on 2,5 cm – 2,27 cm = 0,23 cm. Ülaltoodud arvutustulemuste põhjal võib järeldada, et fookuskaugus (f) on väiksem kui kujutise kaugus (s'). Silma fookuspunkt asub kujutisest ehk võrkkestast 0,23 cm vasakul.
Silmalääts on koonduv, seega on võrkkestale tekkiv kujutis, kuigi reaalne, ümberpööratud. Isegi kui võrkkesta kujutis on ümberpööratud, muudavad aju närvid selle püsti. Kuidas seda seletada? 🙂
Näidisküsimused optiliste silmainstrumentide kohta
1. EBTANAS-SMP-01-15
Müoopiliste silmadefektide kujutise moodustumise kirjeldus on...
Arutelu
Lühinägelikkus ehk müoopia on silma nägemishäire, mille puhul silm ei näe kaugel asuvaid objekte selgelt.
Lühinägelikkuse põhjuseks on kõverdunud sarvkesta-läätse süsteem (silmamuna horisontaalne osa on liiga pikk), mistõttu sarvkesta-läätse süsteemi fookuskaugus väheneb, mistõttu kaugemast punktist tulevad valguskiired koonduvad võrkkesta ette. Lõpmatud valguskiired ei koondu võrkkestale, mistõttu võrkkesta närvirakud ei saa valguslaineid ajju edastatavateks elektrilisteks signaalideks muuta.
Õige vastus on B.
2. EBTANAS-SMP-02-15
Varjude teke lühinägelikkusega inimestel on näidatud õigel pildil...
Arutelu
Lühinägelikkus ehk müoopia on silma nägemishäire, mille puhul silm ei näe kaugel asuvaid objekte selgelt.
Lühinägelikkuse põhjuseks on kõverdunud sarvkesta-läätse süsteem (silmamuna horisontaalne osa on liiga pikk), mistõttu sarvkesta-läätse süsteemi fookuskaugus väheneb, mistõttu kaugemast punktist tulevad valguskiired koonduvad võrkkesta ette. Lõpmatud valguskiired ei koondu võrkkestale, mistõttu võrkkesta närvirakud ei saa valguslaineid ajju edastatavateks elektrilisteks signaalideks muuta.
Õige vastus on C.
