Цели:
- обеспечить в ходе урока усвоение знаний о строении глаза и функциях отдельных его частей, о характеристиках изображений;
- развивать познавательный интерес у учащихся;
- познакомить учащихся с основами гигиены зрения.
Оборудование: мультимедийное оборудование, показ слайдов, рисунки, на которых изображен ход лучей в линзе, вентилятор, источник света, цветной диск, дифракционная решетка, металлический шарик, свеча, сосуд с водой.
Ход урока.
Организация класса.
Изучение нового материала.
Сегодня на уроке мы будем выявлять физические свойства природного оптического прибора. Установим его преимущества и недостатки, сделаем выводы.
- С какими оптическими приборами вы постоянно встречаетесь дома, в школе, на отдыхе?
Ответы учащихся.
- А каком оптическом приборе пойдет сегодня речь? Конечно о глазе. Слайд №2.
«Глаз – это чудо для пытливого ума», - сказал английский физик Тиндаль. «Зрение человека – замечательный дар природы, это необходимейший орган, позволяющий нам познать многие явления окружающего мира, и одновременно источник наслаждения красотой мира».
Откроем тетради , запишем число, тему урока. Начнём наш урок и рассмотрим строение глаза.
Наш глаз – это большая собирающая линза, и поэтому мы можем сравнивать глаз и линзу, с которой, по признанию многих учёных, началась оптика. Ход лучей в линзе нам известен, он представлен на рисунках. Обратите внимание на тот факт, что для данной линзы фокусное расстояние F является постоянной величиной.
Из курса биологии вам известно, что форма глазного яблока слегка яйцеобразна, глаз практически шаровиден, d глаза ~ 24мм. Слайд №3.
Строение глаза – трёхслойная оболочка:
1) внешняя твёрдая оболочка – склера, охватывающая глаз со всех сторон.
Она непрозрачна везде, за исключением передней части, где она становится прозрачной и носит название - роговая оболочка; Слайды №4,5
2) к склере примыкает сосудистая оболочка, переходящая в передней части в радужную с отверстием в центре – зрачком; Слайды № 6,7.
3) внутренняя оболочка – сетчатка, представляющая собой свето – и цветочувствительный слой. Слайд №8.
Запишите в тетрадях три оболочки глаза.
Избыточное над атмосферным глазное давление равно 23 – 25 мм рт. ст., что позволяет глазу поддерживать форму шара.
Преломляющими поверхностями являются:
- роговица – первая живая линза глаза, обеспечивающая 75% фокусирующей способности глаза, собирает лучи, входящие в глаз;
- радужка – красивая ткань сложной структуры и зрачок.
Зрачок регулирует количество света, поступающего в глаз. Механизм работы зрачка очень эффективен.
- Ребята, а как вы думаете, почему зрачок чёрный? Ответы учащихся.
За зрачком находится вторая живая линза – хрусталик, столь же подлинная линза, как и сделанная из стекла , пластмассы. Сила хрусталика составляет 23 – 25% всей светопреломляющей способности оптической системы глаза. Слайд № 9.
Хрусталик управляет цилиарной мышцей. За ним стекловидное тело – прозрачная влага, поддерживающая постоянную форму и являющаяся третьей преломляющей поверхностью.
Запишите в тетрадях преломляющие поверхности.
Самая замечательная ткань в организме человека – это сетчатка.
По размеру и толщине её можно сравнить с почтовой маркой, но она содержит десять слоёв. Сетчатка непосредственно связана с мозгом, а фактически это часть мозга, вынесенная туда, где свет может упасть на неё. Слайды № 10,11.
130 миллионов светочувствительных клеток образуют сетчатку:
а) (6 – 7)•106 колбочек, которые обеспечивают возможность различать мелкие детали предметов, а также создают ощущение цвета;
б) 120•106 палочек, которые позволяют определять размеры предметов и обеспечивают зрение вечером и ночью. Слайд №12.
Глаз сам по себе не видит. Глаз превращает в сигналы падающий свет, преобразует эти сигналы и посылает в мозг. «Видит» мозг. Слайд №13.
Таким образом, зрение – это сложный процесс: химические и электрические явления в сетчатке, передача нервных импульсов по зрительным нервам и деятельность мозга, сводящаяся к отбору, классификации, усилению импульсов являются составными частями единого процесса зрения. Слайд № 14.
Свет, действующий на рецепторы клеток, вызывает в них фотохимические реакции, в результате возникает импульс, передающийся по нервным путям в головной мозг, где и формируется зрительное ощущение.
Запишем в тетрадях характеристики глаза, которые вы будете использовать при решении задач:
р= 23–25 мм рт. ст.
D= 63–65 дптр
Dmax = 74 дптр
F = 17,2 мм
n = 1,4
Итак, мы рассмотрели глаз как однородную сферическую линзу.
А теперь выясним достоинства и недостатки глаза.
Свойства глаза.
1. Аккомодация глаза.
Первым условием отчётливого зрения является получение изображения на сетчатке глаза. Если изображение проецируется оптической системой глаза ближе или дальше сетчатки глаза, то его чёткость теряется. Поэтому чёткое изображение на сетчатке глаза возможно лишь при изменении оптической силы линзы: при рассматривании различно удалённых предметов автоматически изменяется оптическая сила глаза.
Приспособление глаза для получения резкого изображения различно удалённых предметов называется аккомодацией глаза. Слайды № 15,16.
Аккомодация у человека осуществляется путём изменения кривизны преломляющих поверхностей хрусталика.
При максимальной аккомодации оптическая сила глаза возрастает до 70 – 74 дптр, при отсутствии мышечного усилия глаз обычно аккомодирован на бесконечность. По мере приближения предмета к глазу аккомодация увеличивается, пока не достигнет некоторого оптимального предела, при котором регулирующая аккомодацию глаза мышца находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии.
Расстояние до предмета при оптимальной аккомодации называется расстоянием наилучшего зрения. Для нормального глаза расстояние наилучшего зрения L = 25 см.
Недостатком этого свойства является наличие ближней точки ясного видения.
При большом приближении предмета, несмотря на сокращение мышцы и расслабление связок, хрусталик уже не изменяет свою форму, наступает предел аккомодации, и изображение теряет резкость.
2. Адаптация глаза.
Вторым условием отчётливого зрения является наличие оптимальной (наиболее благоприятной) освещённости предмета. В естественных условиях освещённость предмета изменяется в очень широких пределах. Недостаточная, или наоборот, слишком большая освещённость предмета приводит к быстрой утомляемости глаза. Поэтому глаз имеет ряд естественных приспособлений, автоматически регулирующих его чувствительность к свету. Это осуществляется, прежде всего, за счёт изменения диаметра зрачка. Диаметр зрачка изменяется в пределах от 2 до 8 мм, т.е. в 4 раза, и, следовательно, площадь зрачка изменяется в 16 раз. В соответствии с этим изменяется и количество световой энергии, воздействующей на сетчатку глаза. Чувствительность глаза к свету изменяется почти в 200 000 раз.
Способность глаза давать зрительное ощущение при различной степени освещённости называется адаптацией глаза. Слайд № 17.
Полная адаптация глаза к темноте происходит сравнительно медленно, примерно за 60 минут. Глаз, адаптированный к темноте, реагирует на малейшие вспышки света и представляет собой один из самых чувствительных оптических приборов.
Недостатком является то, что многие представители животного мира (кошка, тигр) видят лучше человека в темноте, и их полная адаптация в темноте происходит быстрее. Слайды № 18,19,20,21.
3. Бинокулярное зрение – зрение двумя глазами. Слайд № 22.
Строение обеих сетчаток одинаково, поле зрения обоих глаз практически симметрично.
Когда человек смотрит на близкий предмет, то каждый участок «ощупывается» не одним, а двумя глазами, один предмет даёт два очень схожих, но всё же чуть различных, изображения. Мозг оба восприятия сливает в одно, причём возникает ощущение глубины пространства и оценивается расстояние между объектами. Восприятие даётся с опытом, и у детей развито значительно слабее, чем у взрослых.
Недостаток есть и у этого свойства. Способность точной оценки сохраняется до расстояний, близких к 1,5 – 2 километрам. Для улучшения этой способности нужно было бы увеличить расстояние между глазами, которое называется базой, что, конечно, невозможно. Необходимый эффект достигается в дальномерах (стереотрубах).
4. Инерция зрения. Слайд № 23.
Зрительные ощущения, возникающие на сетчатке глаза, не исчезают мгновенно, они сохраняются 0,1 с. Глаз видит изображение движущегося предмета там, где его уже нет. Если смотреть на быстро вращающийся предмет, то он сливается в один сплошной диск – в этом и состоит стробоскопический эффект. На основе этого эффекта работает телевидение, кино. На киноэкране за 1 секунду проектируется 24 кадра. Длительность каждого кадра 1/24 секунды. Сетчатка хранит изображение 1/10 секунды. Так создаётся эффект непрерывного движения.
Пронаблюдаем на опыте стробоскопический эффект.
Опыт: вращающийся предмет – колесо, вентилятор, винт – освещаем вспышками. Можно подобрать частоту вспышек, что вращающийся предмет будет казаться неподвижным. В этом кроется большая опасность. В цехах поэтому где работают станки, нельзя использовать подобное освещение. Это тоже является недостатком нашего зрения.
5. Свето- и цветочувствительность глаза. Слайды № 24, 25, 26,27.
Глаз человека воспринимает не только форму, но и цвет предметов. Цвет определяется частотой. Вне нас красок нет, есть лишь волны различной частоты. Глаз различает разницу в 10-6см.Ощущение света возникает при действии на светочувствительные элементы сетчатки (длина волны 380-760нм). Основная роль в формировании цветового ощущения принадлежит сетчатке, точнее колбочкам, которые работают только днём и образуют аппарат центрального, дневного и цветного зрения. Колбочки по – разному реагируют на свет различной освещённости.
Чувствительность глаза к излучению различной длины волны сильно отличается: глаз наиболее чувствителен к излучению с длиной волны 555 нм, что соответствует жёлто – зелёному цвету.
У этого свойства тоже есть недостатки: глаз сам не может разложить белый свет на цвета, это делают спектральные приборы;
цвет мы различаем только днём. При малых освещённостях, когда работают палочки, цвета не различаются вовсе;
глаз плохо различает спектральный состав сложного излучения.
Опыт: на большой скорости вращается цветной диск. При вращении все семь цветов сливаются, мы видим бело – сероватый диск.
6. Разрешающая способность глаза видеть две точки раздельно характеризуется наименьшим угловым расстоянием (углом зрения) между двумя светящимися точками, которые воспринимаются глазом раздельно. Он равен одной минуте для среднего нормального глаза.
Необходимое условие: изображение точек должны попасть на разные клетки сетчатки.
Опыт с дифракционной решёткой.
Глаз не самый мощный спектральный прибор, есть более мощные спектральные приборы, обладающие высокой разрешающей способностью.
Запишите свойства глаза в тетрадь.
Рассмотрим более подробно другие недостатки глаза:
- Общие недостатки (свойственные всем людям): аберрации, астигматизм, иррадиации, наличие «слепого пятна»;
- индивидуальные недостатки;
- иллюзии, миражи.
Слайды № 28, 29, 30.
Аберрации (сферические и хроматические) состоят в том, что точечный источник при падении широких пучков на линзу изображается в виде расплывчатого светового пятна, так как периферические части линзы сильнее преломляют лучи.
Иррадиация – светлые предметы на тёмном фоне кажутся увеличенными против своих настоящих размеров и как бы захватывают часть тёмного пространства. Иррадиация известна с древних времён.
Гельмгольц объяснил так: каждая светлая точка вследствие несовершенства хрусталика изображается на сетчатке в виде пятна.
Вследствие аберрации как бы раздвигаются границы светлой области, она простирается за край тёмного фона.
Астигматизм обусловлен несферической формой роговицы и поверхности хрусталика. При наличии этого дефекта не происходит точечного фокусирования лучей, падающих под некоторым углом на глаз, так как они преломляются роговицей по – разному в различных сечениях. При сильном астигматизме видны четко только вертикальные или только горизонтальные линии. Контуры одного направления достаточно резкие, а контуры перпендикулярного – размыты.
Запишите по памяти недостатки глаза в тетрадь.
Любой прибор со временем изнашивается. С возрастом хрусталик теряет природную эластичность, происходит снижение эффективности аккомодации, расстояние наилучшего зрения увеличивается.
При ухудшении зрения глазу можно помочь. Для этого существуют очки. Слайды № 31,32,33.
Давайте теперь посмотрим внимательно опыт: помещаю металлический шарик в пламя свечи, он покрывается слоем копоти, затем осторожно опускаю его в воду. В воде он становится блестящим, отражающим свет. Что это: иллюзия, обман зрения или объяснимое явление на научной основе?
В конце нашего урока подведем итог: есть много оптических приборов, характеристики которых превосходят глаз, но нет ни одного, который бы обладал столькими достоинствами одновременно.
Глаз – это не просто природный оптический прибор, а уникальный оптический прибор, дающий нам возможность наслаждаться красотой окружающего мира. Слайд №34,35.
Домашнее задание:
подумать и высказать своё мнение по поводу опыта с шариком; подготовить рассказ как очки помогают глазу.
Литература:
- Физика 11 класс. Волгоград 2007г.
- Биофизика на уроках физики. Ц.Б. Кац Москва «Просвещение» 1988г.
- Физика в природе. Л. В. Тарасов.
- Колебания и волны. Оптика. Квантовая физика. Т.И. Трофимова, А.В. Фирсов Москва Дрофа 2008 г.
- Занимательная физика. Я.И. Перельман Москва «Наука» 1983г.