Vật liệu dụng cụ quang học
Mắt là một công cụ quang học vốn có của con người. Nó cho phép bạn đọc một bài báo vật lý 😀 hoặc ngắm nhìn khuôn mặt của người yêu xinh đẹp hay điển trai 🙂 Điều gì sẽ xảy ra nếu mắt bạn không hoạt động bình thường? Chắc chắn bạn biết câu trả lời cho câu hỏi này. Vì vậy, hãy biết ơn nếu bạn vẫn còn đôi mắt khỏe mạnh và có thể nhìn rõ. Người mù chắc chắn không thể nhìn thấy và chỉ có thể tưởng tượng về tình trạng của thế giới mà chúng ta đang sống ngày nay.
Ai cũng mong muốn có đôi mắt khỏe mạnh và hoạt động tốt. Tuy nhiên, thực tế đôi khi không như mong đợi. Một số người sinh ra đã phải chịu đựng các vấn đề về mắt, khiến họ không thể nhìn rõ. Những tiến bộ trong khoa học, đặc biệt là vật lý, đã giúp tạo ra các công cụ hỗ trợ thị giác như kính mắt và kính áp tròng.
Bài viết này xem xét cách thức hoạt động của mắt, giúp con người nhìn thấy. Phần giải thích về cách hoạt động của mắt trong bài viết này liên quan đến chủ đề quang học hình học , bao gồm sự khúc xạ ánh sáng, hội tụ và sự hình thành ảnh của vật thể bởi mắt. Một lời giải thích chi tiết về mắt và cách thức hoạt động thực sự của nó nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Các rối loạn về mắt, cách hoạt động của kính đeo và kính áp tròng sẽ được giải thích trong các bài viết tiếp theo.
Các bộ phận của mắt
Giác mạc atau màng mắt Giác mạc là một màng cứng, trong suốt bao phủ phần trước của mắt. Tia sáng đi vào mắt bị khúc xạ mạnh hơn bởi giác mạc.
Học sinh atau nhãn cầu Đồng tử là phần màu đen của mắt người. Vì có màu đen nên đồng tử hấp thụ gần như toàn bộ ánh sáng và hầu như không phản xạ lại. Đồng tử là lỗ mở cho phép ánh sáng đi vào mắt. Đồng tử càng lớn, càng nhiều ánh sáng đi vào mắt, và ngược lại, đồng tử càng nhỏ, càng ít ánh sáng đi vào mắt.
Iris atau hoa diên vĩ Mống mắt điều khiển kích thước đồng tử. Khi môi trường xung quanh mắt rất sáng, mống mắt sẽ thu hẹp đồng tử, và khi môi trường tối, mống mắt sẽ giãn đồng tử, cho phép nhiều ánh sáng đi vào mắt hơn. Nếu bạn đã từng quan sát sự khác biệt về đồng tử của mèo vào ban ngày và ban đêm, bạn sẽ dễ dàng hiểu chức năng của mống mắt.
Cơ mi có chức năng thay đổi độ cong của thủy tinh thể. Sự thay đổi độ cong của thủy tinh thể ảnh hưởng đến tiêu cự của thủy tinh thể. Nếu mắt quan sát một vật ở khoảng cách rất xa, cơ mi sẽ giãn ra, làm tăng bán kính cong của thủy tinh thể và tăng tiêu cự. Nếu mắt quan sát một vật ở khoảng cách gần, cơ mi sẽ co lại, làm giảm bán kính cong của thủy tinh thể và giảm tiêu cự. Vì vậy, gián tiếp, chức năng của cơ mi là kiểm soát tiêu cự của thủy tinh thể để mắt có thể tập trung hình ảnh của vật thể một cách tốt nhất. Sự thay đổi tiêu cự của thủy tinh thể được gọi là sự điều tiết của mắt.
Thấu kính của mắt là một thấu kính hội tụ, còn được gọi là thấu kính lồi hoặc thấu kính dương . Mặc dù hầu hết ánh sáng đi vào mắt đều bị khúc xạ ở giác mạc, nhưng thấu kính cũng khúc xạ và hội tụ các tia sáng để hình ảnh của vật thể được tạo thành chính xác trên võng mạc. Hình ảnh phải được tạo thành trên võng mạc thì vật thể mới được nhìn thấy rõ ràng. Võng mạc chuyển đổi sóng ánh sáng thành tín hiệu điện, sau đó được truyền qua dây thần kinh thị giác đến não.
Số chỗ ở tối đa và tối thiểu
Điều tiết thị giác Đó là sự điều chỉnh tiêu cự (f) của thấu kính mắt sao cho phù hợp với khoảng cách của vật thể mà mắt nhìn thấy, để ảnh của vật thể có thể được hội tụ trên võng mạc. Tiêu cự của thấu kính mắt là khoảng cách giữa thấu kính và tiêu điểm của thấu kính (F). Sự thay đổi độ cong của thấu kính làm thay đổi bán kính cong của thấu kính và do đó tiêu cự của thấu kính cũng thay đổi, như được minh họa trong hình.
Nếu mắt quan sát một vật thể trên điểm xaKhi đó, cơ mi giãn ra, khiến thủy tinh thể của mắt trở nên phẳng hơn, do đó bán kính cong và tiêu cự của thủy tinh thể tăng lên. Điểm nhìn xa là khoảng cách xa nhất mà mắt có thể tập trung, trong đó điểm nhìn xa bình thường của mắt là vô cực. Khi mắt điều chỉnh tiêu cự của thủy tinh thể để tập trung vào các vật thể ở điểm nhìn xa hoặc các vật thể ở vô cực, mắt sẽ... chỗ ở tối thiểu.
Mặt khác, khi mắt quan sát một vật ở cự ly gần, cơ mi sẽ căng (co lại) khiến thủy tinh thể trở nên cong hơn, do đó bán kính cong và tiêu cự của thủy tinh thể tăng lên. Khoảng cách của vật gần mắt nhất mà mắt vẫn có thể tập trung được gọi là điểm gầnĐiểm nhìn gần trung bình của con người là 25 cm. Khi mắt tập trung vào một vật ở khoảng cách gần (25 cm), mắt sẽ điều tiết tối đa.
Sự hình thành bóng của một vật thể
Khoảng cách vật thể rất xa
Nếu khoảng cách vật là vô hạn, thấu kính mắt trở nên phẳng sao cho tiêu cự của thấu kính tăng lên, trong đó tiêu cự (f) phải bằng khoảng cách ảnh (s'). Khoảng cách ảnh là khoảng cách giữa thấu kính và điểm giao nhau của các tia sáng khúc xạ từ mắt. Điểm giao nhau của các tia sáng trùng với võng mạc. Vì vậy, có thể kết luận rằng khi mắt quan sát một vật ở khoảng cách vô hạn, độ cong của thấu kính mắt trở nên phẳng cho đến khi tiêu cự của thấu kính (f) bằng khoảng cách giữa thấu kính mắt và võng mạc. Các tia sáng phải giao nhau tại võng mạc để ánh sáng có thể được chuyển đổi thành tín hiệu điện bởi các tế bào thần kinh trong võng mạc và sau đó được truyền đến não bộ thông qua dây thần kinh thị giác.
Sau đây là chứng minh toán học về lý do tại sao khi khoảng cách vật (s) rất xa hoặc nếu giả sử vật ở vô cực, tiêu cự của thấu kính (f) phải bằng khoảng cách ảnh (s'). Mối quan hệ giữa tiêu cự (f), khoảng cách vật (s) và khoảng cách ảnh (s') được biểu thị bằng phương trình sau.
1/f = 1/s + 1/s' —– Phương trình 1
Thị kính là một thấu kính hội tụ, do đó tiêu cự (f) dương. Khoảng cách vật (s) là vô cực, vì vậy hãy thay khoảng cách vật (s) trong phương trình 1 bằng ký hiệu vô cực.
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– Phương trình 2
Phương trình 2 cho thấy rằng trong thấu kính hội tụ hoặc thấu kính lồi, nếu khoảng cách vật là vô hạn thì tiêu cự (f) bằng khoảng cách ảnh (s').
Khoảng cách vật thể rất gần
Nếu vật ở gần mắt thì sao? Thấu kính lõm có thể tạo ra cả ảnh ảo và ảnh thật. Ảnh thật được tạo ra bởi thấu kính lồi khi khoảng cách vật (s) lớn hơn tiêu cự (f) của thấu kính. Điều này đã được thảo luận trong chủ đề ảnh thấu kính lồi.
Như đã giải thích trước đó, vật thể gần nhất mà mắt bình thường có thể lấy nét tốt là 25 cm. Do đó, tiêu cự phải nhỏ hơn 25 cm. Nó cũng không thể bằng 25 cm vì nếu vậy, ảnh sẽ ở vô cực, điều này không hợp lý nếu xét đến kích thước nhỏ của đồng tử.
Tính toán để ước tính tiêu cự (f) của hệ thống thấu kính mắt:
1/f = 1/s + 1/s' —– Phương trình 1
Điểm nhìn gần nhất của mắt bình thường là 25 cm, do đó khoảng cách vật gần nhất (s) là 25 cm. Khoảng cách giữa giác mạc và nhãn cầu khoảng 2,5 cm. Ảnh sẽ rõ nét nếu chùm tia sáng chiếu vào võng mạc, vì vậy khoảng cách giữa giác mạc và thủy tinh thể được coi là khoảng cách ảnh (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
Sự khác biệt giữa khoảng cách ảnh (s') và khoảng cách tiêu cự (f) là 2,5 cm – 2,27 cm = 0,23 cm. Dựa trên kết quả tính toán trên, có thể kết luận rằng khoảng cách tiêu cự (f) nhỏ hơn khoảng cách ảnh (s'). Tiêu điểm của mắt nằm cách điểm ảnh hay võng mạc 0,23 cm về phía bên trái.
Thấu kính của mắt là thấu kính hội tụ, vì vậy ảnh được tạo thành trên võng mạc, mặc dù là ảnh thật, nhưng bị đảo ngược. Mặc dù ảnh trên võng mạc bị đảo ngược, nhưng các dây thần kinh trong não lại làm cho nó trở nên thẳng đứng. Điều này có thể được giải thích như thế nào? 🙂
Ví dụ về các câu hỏi liên quan đến dụng cụ đo thị lực.
1. EBTNAS-SMP-01-15
Mô tả về sự hình thành ảnh trong các tật khúc xạ cận thị là...
Cuộc thảo luận
Tật cận thị là một chứng rối loạn thị giác khiến mắt không thể nhìn rõ các vật ở xa.
Nguyên nhân gây ra tật cận thị là do hệ thống giác mạc-thấu kính cong hơn (phần ngang của nhãn cầu quá dài), làm giảm tiêu cự của hệ thống giác mạc-thấu kính, khiến các tia sáng từ xa hội tụ phía trước võng mạc. Vô số tia sáng không được hội tụ trên võng mạc, do đó các tế bào thần kinh trong võng mạc không thể chuyển đổi sóng ánh sáng thành tín hiệu điện để truyền đến não.
Đáp án đúng là B.
2. EBTNAS-SMP-02-15
Hình ảnh bên phải minh họa sự hình thành bóng mờ ở những người bị cận thị...
Cuộc thảo luận
Tật cận thị là một chứng rối loạn thị giác khiến mắt không thể nhìn rõ các vật ở xa.
Nguyên nhân gây ra tật cận thị là do hệ thống giác mạc-thấu kính cong hơn (phần ngang của nhãn cầu quá dài), làm giảm tiêu cự của hệ thống giác mạc-thấu kính, khiến các tia sáng từ xa hội tụ phía trước võng mạc. Vô số tia sáng không được hội tụ trên võng mạc, do đó các tế bào thần kinh trong võng mạc không thể chuyển đổi sóng ánh sáng thành tín hiệu điện để truyền đến não.
Đáp án đúng là C.
