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【第5.06讲】最精密的照相机--眼睛

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【第5.06讲】最精密的照相机——眼睛

同学们好!欢迎来到物理老师讲物理。

前面我们聊过了放大镜、幻灯机、照相机、望远镜、显微镜,人们发明的光学仪器结构越来越精密。你觉得最精密的光学结构是什么呢?我觉得世上最精密的莫过于眼睛。无论多么美丽的画面,都得靠眼睛看,才能感受到它的美啊。据说,人类通过各种感官所获得的信息中,视觉信息占到百分之七、八十。那眼睛究竟是如何获取信息的呢?


首先,我们要了解眼睛的结构。

眼睛的构造极其精密。主要的结构,由外至内依次有:角膜、瞳孔、晶状体、睫状体、视网膜等。你可以参看课程文稿的图1,这个图比课本上的插图更清晰一些,你一看就明白了。

图1:眼睛的结构


人眼就像一台照相机,而且是一台可变焦的高级相机。

透明的晶状体和角膜,相当于照相机的镜头,起到凸透镜的作用。视网膜相当于照相机的底片,可以感光。跟照相机一样,物体在视网膜上成的是倒立、缩小的实像。这符合“物远像近小”的规律。睫状体有几组肌肉,通过肌肉收缩、放松,可以调节晶状体的形状,从而改变晶状体的焦距,使远近不同的物体都能在视网膜上清晰成像。

比如,当看近处物体时,物近像远大,像距增大,成像的位置退到视网膜后方去了。怎么办呢?眼球只有那么大,视网膜又不能后退。这时,睫状体收缩使晶状体变凸,折光能力增强,焦距变短,成像的位置又回到了视网膜上,就可以看清近处的景物了。

同样的,看远处的景物时,睫状体就放松,晶状体变得扁平,折光能力减弱,焦距变长。这样,远处的景物也能看清了。

不论看远处还是近处,像距都是一样的,改变的是晶状体的焦距。这就是眼睛大致的光学原理。


你可以通过一个简单的动作,感受一下眼睛调焦的过程。伸出你的手指,对准远处的山,你能同时看清自己的手指和远山上的细节吗?交替观察的过程,就是你的眼睛调焦的过程。


通过眼睛调焦,能让远处和近处的景物都在视网膜上清晰成像,但也有一个范围,超出这个范围也会看不清。这个清晰的范围内最远的点叫做远点,最近的点叫近点。正常的眼睛远点在无限远处,近点大约在眼前10cm处。你把手指放在鼻尖处,就无法看清楚,就是因为太近了,超出了近点的范围。正常眼睛看近处景物最轻松的距离,大约是25cm。这个距离被称为明视距离,也是医生建议你,看书、写字时应该保持的,眼睛与书本的距离。


如果你不听医生的建议,长期趴在书桌上近距离看书,就会让晶状体长时间处于凸起状态,时间久了,就像拉长了的弹簧一样,回不去了。这个时候,你再想看远处,由于晶状体无法恢复扁平状态,成像位于视网膜的前方,看到的物体就是模糊不清的。这也就是所谓的近视眼,只能看清近处的物体,看不清远处。正常眼睛的远点在无限远,近视眼的远点在眼前的某个有限距离处。

这时候,你就需要近视眼镜来帮忙啦。近视眼镜是凹透镜。我们知道,凹透镜能发散光线。它能削弱晶状体的会聚能力,从而纠正视力,看清远处物体。其效果就相当于,正常眼睛看远景时,晶状体自动调节变扁平,使像成在视网膜上。


反过来也一样,如果是晶状体变得过于扁平,凸不起来了,那就成了远视眼,看不清近处。随着年龄增长,晶状体逐渐硬化、增厚,而且睫状体的调节能力也随之减退,也会出现这种看近处模糊的情况,也就是我们所说的老花眼。远视眼和老花眼都需要戴凸透镜的眼镜,帮助眼睛聚焦。


其实眼睛还有一项调节功能,原理也跟照相机很相似,那就是瞳孔。

它的作用就相当于照相机的光圈,能够调节进入眼睛的光线的多少,从而适应不同亮度的环境。在明亮的阳光下,瞳孔收缩,减少进光量;在昏暗的星光下,瞳孔散大,增加进光量。这样可以保证视网膜上所成的像,不至于太亮、也不至于太暗,我们才能在白天和夜晚都能看得见。

但是,瞳孔的调节能力也是有限的,太过于强烈的光线,还是会对眼睛造成伤害,比如电焊的火花,阳光下的雪原等等。



【小结一下】

我们再来对比一下,人眼与照相机原理的异同:

普通照相机的镜头焦距是一定的。要使远近不同的物体在底片上成清晰的像,照相机的方法是:移动镜头,来改变像距。

人的眼睛,像距是一定的。要使远近不同的物体在视网膜上成清晰的像,眼睛的办法是:调节晶状体的形状,来改变焦距。



【思考题】

现在戴眼镜的同学越来越多,如何避免近视眼,结合这一讲的知识,你能想到哪些对策?

好了,下一讲再见!



【备课手稿】




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同学们好!欢迎来到物理老师讲物理。

前面我们聊过了放大镜、幻灯机、照相机、望远镜、显微镜,人们发明的光学仪器结构越来越精密。你觉得最精密的光学结构是什么呢?我觉得世上最精密的莫过于眼睛。无论多么美丽的画面,都得靠眼睛看,才能感受到它的美啊。据说,人类通过各种感官所获得的信息中,视觉信息占到百分之七、八十。那眼睛究竟是如何获取信息的呢?


首先,我们要了解眼睛的结构。

眼睛的构造极其精密。主要的结构,由外至内依次有:角膜、瞳孔、晶状体、睫状体、视网膜等。你可以参看课程文稿的图1,这个图比课本上的插图更清晰一些,你一看就明白了。

图1:眼睛的结构


人眼就像一台照相机,而且是一台可变焦的高级相机。

透明的晶状体和角膜,相当于照相机的镜头,起到凸透镜的作用。视网膜相当于照相机的底片,可以感光。跟照相机一样,物体在视网膜上成的是倒立、缩小的实像。这符合“物远像近小”的规律。睫状体有几组肌肉,通过肌肉收缩、放松,可以调节晶状体的形状,从而改变晶状体的焦距,使远近不同的物体都能在视网膜上清晰成像。

比如,当看近处物体时,物近像远大,像距增大,成像的位置退到视网膜后方去了。怎么办呢?眼球只有那么大,视网膜又不能后退。这时,睫状体收缩使晶状体变凸,折光能力增强,焦距变短,成像的位置又回到了视网膜上,就可以看清近处的景物了。

同样的,看远处的景物时,睫状体就放松,晶状体变得扁平,折光能力减弱,焦距变长。这样,远处的景物也能看清了。

不论看远处还是近处,像距都是一样的,改变的是晶状体的焦距。这就是眼睛大致的光学原理。


你可以通过一个简单的动作,感受一下眼睛调焦的过程。伸出你的手指,对准远处的山,你能同时看清自己的手指和远山上的细节吗?交替观察的过程,就是你的眼睛调焦的过程。


通过眼睛调焦,能让远处和近处的景物都在视网膜上清晰成像,但也有一个范围,超出这个范围也会看不清。这个清晰的范围内最远的点叫做远点,最近的点叫近点。正常的眼睛远点在无限远处,近点大约在眼前10cm处。你把手指放在鼻尖处,就无法看清楚,就是因为太近了,超出了近点的范围。正常眼睛看近处景物最轻松的距离,大约是25cm。这个距离被称为明视距离,也是医生建议你,看书、写字时应该保持的,眼睛与书本的距离。


如果你不听医生的建议,长期趴在书桌上近距离看书,就会让晶状体长时间处于凸起状态,时间久了,就像拉长了的弹簧一样,回不去了。这个时候,你再想看远处,由于晶状体无法恢复扁平状态,成像位于视网膜的前方,看到的物体就是模糊不清的。这也就是所谓的近视眼,只能看清近处的物体,看不清远处。正常眼睛的远点在无限远,近视眼的远点在眼前的某个有限距离处。

这时候,你就需要近视眼镜来帮忙啦。近视眼镜是凹透镜。我们知道,凹透镜能发散光线。它能削弱晶状体的会聚能力,从而纠正视力,看清远处物体。其效果就相当于,正常眼睛看远景时,晶状体自动调节变扁平,使像成在视网膜上。


反过来也一样,如果是晶状体变得过于扁平,凸不起来了,那就成了远视眼,看不清近处。随着年龄增长,晶状体逐渐硬化、增厚,而且睫状体的调节能力也随之减退,也会出现这种看近处模糊的情况,也就是我们所说的老花眼。远视眼和老花眼都需要戴凸透镜的眼镜,帮助眼睛聚焦。


其实眼睛还有一项调节功能,原理也跟照相机很相似,那就是瞳孔。

它的作用就相当于照相机的光圈,能够调节进入眼睛的光线的多少,从而适应不同亮度的环境。在明亮的阳光下,瞳孔收缩,减少进光量;在昏暗的星光下,瞳孔散大,增加进光量。这样可以保证视网膜上所成的像,不至于太亮、也不至于太暗,我们才能在白天和夜晚都能看得见。

但是,瞳孔的调节能力也是有限的,太过于强烈的光线,还是会对眼睛造成伤害,比如电焊的火花,阳光下的雪原等等。



【小结一下】

我们再来对比一下,人眼与照相机原理的异同:

普通照相机的镜头焦距是一定的。要使远近不同的物体在底片上成清晰的像,照相机的方法是:移动镜头,来改变像距。

人的眼睛,像距是一定的。要使远近不同的物体在视网膜上成清晰的像,眼睛的办法是:调节晶状体的形状,来改变焦距。



【思考题】

现在戴眼镜的同学越来越多,如何避免近视眼,结合这一讲的知识,你能想到哪些对策?

好了,下一讲再见!



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