Проект "Глаз человека - живой фотоаппарат"

Выполнила:

Любимова Анастасия

ученица 9 «А» класса

МОУ «Лицей №5»

Научный руководитель:

учитель физики

Соколова Татьяна Викторовна

Железногорск 2011 год

I Введение.

Свет играет в нашей жизни очень важную роль. С одной стороны, благодаря восприятию его глазом в процессе зрения мы видим и познаем окружающий мир. С другой стороны, именно свет, приходящий на Землю от Солнца, создает условия, необходимые для существования жизни на нашей планете.

Мы видим только при наличии света, если его не будет, мы просто ослепнем. Без света нет зрения.

Зрение – это удивительно сложная и еще далеко не познанная совместная работа глаза и мозга. Уже столетия наука изучает глаз, и каждый ученый, открывая новые свойства и новые тайны, испытывает чувство волнения и преклонения перед его совершенством.

По данным некоторых ученых 70% всех сведений человек получает из окружающего мира с помощью зрения. Другие полагают, что эта цифра должна быть увеличена до 90%. Недаром А. М. Горький, которому пришлось несколько дней во время болезни пробыть с повязкой на глазах, писал о своем состоянии так: «Ничто не может быть страшнее, как потерять зрение, - это невыразимая обида, она отнимает у человека девять десятых мира». Уникальность зрения по сравнения с другими анализаторами состоит в том, что оно позволяет не только опознавать предмет, но и  определять его место в пространстве, следить за перемещениями. Основная функция зрения состоит в различении яркости, цвета. Формы и размеров наблюдаемых объектов.

Глаз человека – дар природы, удивительный и неповторимый. Именно поэтому меня и интересует тематика зрения, зрительного анализатора человека. Его сходства со многими оптическими приборами, в том числе, и с фотоаппаратом.

Человеческий глаз способен  различать тончайшие оттенки и мельчайшие размеры. Хорошо видеть днем и неплохо ночью. А по сравнению с глазами животных обладает и большими возможностями. Например, голубь видит очень далеко, но только днем. Совы и летучие мыши хорошо видят ночью, но днем они слепы.

 Как же устроен такой важный и сложный прибор как глаз? Какие свойства присущи глазу? Какие дефекты зрения встречаются у людей и каковы меры их профилактики?

На эти и другие вопросы я постараюсь ответить в моей исследовательской работе. Но главная цель, которую я ставлю перед собой, - рассмотреть общие свойства процесса образования изображения как на сетчатке глаза человека, так и в фотоаппарате.

Итак, задачами моего проекта стали:

1. Рассмотреть глаз человека с физической и биологической точек зрения.

2. Выяснить, какие дефекты зрения чаще всего встречаются у учеников МОУ «Лицей №5» и проследить динамику этих дефектов.
3. Определить способы коррекции близорукости и дальнозоркости и меры их профилактики.
4. Рассмотреть связь между зрительным анализатором человека и фотоаппаратом.
5. Изготовить модель простейшего фотоаппарата.
6. На примере показать принцип действия как фотоаппарата, так и зрительного анализатора.

II Теоретическая часть.

Рассмотрим строение и принципы работы зрительного анализатора человека.

Сначала обратимся к такой науке как биология. Итак, глаз человека имеет почти шарообразную форму. Он защищен плотной оболочкой – склерой. Передняя прозрачная часть склеры – роговица. За роговицей расположена радужка, она и определяет цвет глаз человека. Между роговицей и радужкой – водянистая влага. В радужке есть отверстие – зрачок, диаметр которого меняется в зависимости от освещения. За зрачком находится хрусталик, по форме похожий на собирающую линзу. За хрусталиком – стекловидное тело, самая богатая водой ткань человеческого тела. Задняя часть склеры – глазное дно – покрыто сетчаткой, состоящей из тончайших волокон, которые, как ворсинки, устилают глазное дно. Они представляют собой разветвленные окончания зрительного нерва. В том месте, где он прикрепляется к глазу, находится глазное дно.(рис. 1)

Как пошутил кто-то из физиков, биология становится слишком серьезной наукой, чтобы ее можно было доверять биологам. Конечно, это несправедливая шутка, но в отношении физиологии зрения в какой-то мере верна. И поэтому, чтобы наконец объяснить работу человеческого глаза, обратимся к физике.

Итак, свет, падающий в глаз, преломляется в роговице, хрусталике и стекловидном теле, т. е. в оптической системе глаза, благодаря чему на сетчатке образуется действительное, уменьшенное и перевернутое изображение рассматриваемых предметов.(рис. 2) Схематично это показано на рисунке, где выпуклая собирающая линза  выступает в роли хрусталика. После создания изображения на сетчатке, раздражается зрительный нерв , раздражение по нервным волокнам передается в мозг, человек получает зрительное впечатление и воспринимает предметы прямыми.

А что же происходит с глазом человека, с изображением, создаваемым светом, при дефектах зрения? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала отметим, что в настоящее время ученые выделяют очень много различных дефектов зрения. Рассмотрим некоторые из них.

Астигматизм

Обычно поверхности роговой оболочки и хрусталика являются частями почти идеальных сфер. Однако нередко кривизна одной или обеих этих поверхностей оказывается большей в одной плоскости, чем в какой-либо другой. Этот дефект, в результате которого получается нечеткое зрение, называется астигматизмом. Астигматизм может причинять головные боли и создавать расплывчатость, в особенности. Если читать длительное время подряд.

Дальтонизм

Дальтонизм – неспособность различать цвета. Это расстройство зрения названо по фамилии английского химика и физика Джона Дальтона(1766-1844), впервые исследовавшего это явление. Одни дальтоники не воспринимают красный цвет, другие – зеленый, третьи – фиолетовый. Встречаются и такие люди, для которых мир «окрашен» только в оттенки серого.

Косоглазие

Косоглазие –  отклонение одного глаза или попеременно одного из глаз  от совместной точки фиксации с нарушением бинокулярного зрения. В результате действия ряда причин нарушается бинокулярное зрение и происходит отклонение одного глаза. Выделяют две основные клинические формы косоглазия: содружественное и паралитическое. Содружественное косоглазие развивается чаще в детском возрасте. Отклоняться может постепенно один глаз или попеременно правый и левый. Различают косоглазие внутреннее, или сходящееся, наружное, или расходящееся, косоглазие кверху и книзу. Подвижность глазных яблок обычно не страдает. Паралитическое косоглазие развивается вследствие пореза или паралича наружных мышц глаза. Подвижность косящего глаза ограничена, острота зрения длительное время не снижается. При паралитическом косоглазие возникают жалобы на двоение видимых предметов и иногда на головокружение.

Дальнозоркость

В дальнозорком глазе фокус при спокойном состоянии глаза находится за сетчаткой.(рис. 3) Дальнозоркий глаз преломляет слабее нормального. Для того, чтобы видеть даже весьма удаленные предметы, дальнозоркий глаз должен сделать усилие; для видения близко лежащих предметов аккомодационная способность глаза уже не достаточна. Следовательно, близкие предметы не могут быть видимы без напряжения глаза.

Близорукость

В том случае, если расстояние между сетчатой оболочкой и хрусталиком ненормально велико или хрусталик настолько закруглен и толст, что его фокусное расстояние ненормально мало. Изображение удаленного предмета попадает перед сетчаткой.(рис. 4) Этот дефект глаза очень распространен и называется близорукостью или миопией. Среди диких племен, живущих и работающих большей частью на открытом воздухе близорукость почти неизвестна. Точно так же среди фермеров и лиц, работающих на открытом воздухе, очень малое количество страдает от близорукости, если только они не приобрели ее  в коле или при работе с близкими объектами.

Проводя мониторинг среди обучающихся двух параллелей МОУ «Лицей №5» в течение двух лет, я выяснила, что чаще всего из дефектов зрения у школьников встречается близорукость, реже – дальнозоркость. Причем динамика этих расстройств зрения отрицательная.

Например, в 2009/2010 учебном году близорукостью страдали 27% восьмиклассников, дальнозоркостью – 13%, а ухудшение зрения чувствовали 31%.(диаграмма 1) В нынешнем 2010/2011 учебном году в этой же параллели наблюдается следующее: 40% учеников страдают близорукостью, 15% - дальнозоркостью, а у 36% зрение ухудшается.(диаграмма 2)

Похожая динамика наблюдается и в более старших параллелях. В 2009/2010 учебном году в 9 классе близорукостью страдали 32% учащихся, дальнозоркостью – 7%, а у 44% зрение ухудшилось.(диаграмма 3) В 2010/2011 году в этой параллели близорукость наблюдается у 40%, дальнозоркость – у 8%, а ухудшение зрения ощущают 48% учеников.(диаграмма 4)

В связи с такой отрицательной динамикой дефектов зрения я представляю Вам способы коррекции близорукости и дальнозоркости, а также меры их профилактики – гимнастику для глаз.

Коррекция близорукости.

Близорукость может быть диагностирована в любом возрасте, но чаще впервые обнаруживается у детей в возрасте 7-12 лет. Как правило, усиливается в подростковом периоде, а в возрасте от 18 до 40 лет острота зрения стабилизируется. Причины возникновения близорукости до конца не изучены. Установленными являются некоторые факторы риска, а именно:

• Наследственность – оказывается, что когда оба родителя близоруки, у половины детей близорукость проявляется до 18 лет. Если у обоих родителей зрение в норме, близорукость проявляется только у 8% детей. Считается, что наследственные факторы определяют ряд дефектов в синтезе белка соединительной ткани (коллагена), необходимого для строения оболочки глаза (склеры). Недостаток в рационе питания различных микроэлементов, необходимых для синтеза склеры, может способствовать прогрессирования близорукости.
• Перенапряжение глаз – длительные и интенсивные зрительные нагрузки на близком расстоянии, плохое освещение рабочего места, неправильная посадка при чтении и письме, чрезмерное увлечение телевизором и компьютером. Как правило, появление близорукости совпадает по срокам с началом школьного обучения.
• Неправильная коррекция – отсутствие коррекции зрения при первом появлении близорукости ведет к дальнейшему перенапряжению органов зрения и способствует прогрессированию близорукости.

Для коррекции близорукости используют очки с рассеивающими (выпукло-вогнутыми) линзами, имеющими отрицательную оптическую силу. В результате пучок лучей, параллельных главной оптической оси, начинает сходиться в более удаленной точке – на сетчатке.(рис. 4, 5)

Коррекция дальнозоркости.

При дальнозоркости либо укорочена глазная ось (меньше 23,5 мм), либо роговица обладает слабой преломляющей силой. Часто люди, страдающие дальнозоркостью, не предъявляют жалоб на зрение, т. к. у них хорошо развита способность к аккомодации. Дальнозоркость – коварное заболевание. Первые симптомы появляются в детстве и кажутся далекими от глазных болезней. Дети плохо учатся в школе, быстро устают, не могут сосредоточиться на выполнении работы, капризничают, плохо спят. Переутомление зрительного аппарата глаза при дальнозоркости в первую очередь проявляется именно астеническими жалобами. Ранняя диагностика и назначение оптической коррекции (очки, контактные линзы) позволяют сократить возникновение таких осложнений гиперметропии, как  косоглазие и амблиопия ( синдром ленивого глаза). Прогрессирование дальнозоркости может привести к нарушениям оттока внутриглазной жидкости и, как следствие, подъему внутриглазного давления и развитию глаукомы.

Для увеличения преломляющей способности дальнозоркого глаза используют очки, стекла которых представляют собой собирающие (выпукло-вогнутые) линзы, имеющие положительную оптическую силу. В результате пучок лучей, параллельных главной оптической оси, сходится в одной точке, как у нормального глаза.(рис. 3, 6)

Гимнастика для глаз.

Следующие упражнения снимают зрительный дискомфорт, выражающийся в быстром развитии усталости глаз, резях, мелькании точек перед глазами. Упражнения для глаз могут проводиться самостоятельно и раньше ниже указанного времени.

Через 20-30 минут занятий рекомендуется проводить гимнастику для глаз:

• Закрыть глаза, сильно напрягая глазные мышцы на счет 1-4, затем раскрыть глаза, расслабив мышцы глаз, посмотреть вдаль на счет 1-6.Повторить 4-5 раз.
• Посмотреть на переносицу и задержать взор на счет 1-4. До усталости глаза не доводить. Затем открыть глаза, посмотреть вдаль на счет 1-6. повторить 4-5 раз.
• Не поворачивая головы, посмотреть направо и зафиксировать взгляд на счет 1-4, затем посмотреть вдаль прямо на счет 1-6.
• Перенести взгляд быстро по диагонали: направо вверх, налево вниз, потом прямо вдаль на счет 1-6, затем налево вверх, направо вниз и посмотреть вдаль на счет 1-6. Повторить 4-5 раз.

Мы достаточно долго говорили о том, что надо беречь зрение, т. е. заботиться о глазах. Но о чем же еще можно сказать, рассматривая зрительный анализатор? А вот о чем! Человеческий глаз с оптической точки зрения представляет собой живой фотоаппарат. Как в зрительном анализаторе человека, так и в фотоаппарате создается действительное, уменьшенное и перевернутое изображение.(рис. 7, 8) Но изображение предметов в фотоаппарате получается на пластинке, тогда как в глазу изображение образуется на сложной нервной ткани – сетчатке глаза. У глаза так же, как и фотоаппарата, есть объектив – хрусталик, диафрагма – зрачок, даже крышка объектива – веко.

Но во многих отношениях глаз совершеннее современных фотоаппаратов. Он автоматически наводится на резкость – изменением кривизны хрусталика под действием глазных мускулов, т. е. изменением фокусного расстояния. Автоматически диафрагмируется сужением зрачка при переходе из темного помещения в светлое. Глаз дает цветное изображение, запоминает зрительные образы.

И для того чтобы более наглядно рассмотреть принцип действия живого оптического аппарата – глаза человека – я решила изготовить модель простейшего фотоаппарата.

Справка

Фотоаппарат. Фотографирование.

Фотоаппарат является проекционным аппаратом. Главная часть фотоаппарата – объектив, при помощи которого освещенные предметы проецируются на экран, представляющий собой стеклянную пластинку или пленку со сверхчувствительным слоем.

Предмет, предназначенный для световой проекции, всегда расположен вне аппарата: d>2F, а фотопластинка или фотопленка находится внутри аппарата, в кассете на расстоянии от объектива F

Для получения отчетливого изображения на пластинке (или пленке) объектив передвигают относительно задней стенки фотокамеры. Изображение наблюдают в так называемое окно видоискателя.

Объектив в одних фотоаппаратах передвигается путем сжимания или растягивания фотокамеры в виде меха гармоники, в  других – путем собственного поворота по винтовой нарезке тубусе.

Объективы современных фотоаппаратов представляют собой сложные линзовые устройства. Такие объективы дают высококачественные изображения фотографируемых объектов.

В фотографировании используется химическое действия света на вещество. Так как световое изображение предмета образуется на светочувствительном слое пластинки (или пленки), то оно своим действием вызывает химическое изменение вещества в различных местах слоя. Под действием света в этих местах происходит химическое изменение вещества в скрытом виде. Действительно, если мы вынем из фотокамеры пластинку (или пленку) в темной комнате при красном свете и будем ее рассматривать, то не увидим на ней никаких изменений. Но, погрузив пластинку в раствор, называемый проявителем, мы увидим, как постепенно на ней появляется полное изображение предмета. На снимке потемневшими будут те места, на которые падал свет от светлых мест предмета. Такой фотоснимок называют негативом.(рис. 9)

Негатив следует химически закрепить, погрузив его на некоторое время в другой раствор – закрепитель, затем тщательно промыть в чистой проточной воде для удаления ненужных химических веществ и высушить.

С негатива можно получать неограниченное число снимков, накладывая негатив на обыкновенную фотобумагу и освещая ее сквозь негатив. Тогда мы получим на бумаге изображение с тенями и оттенками, соответствующее самому предмету. Этот фотоснимок называют позитивом. После промывки и сушки мы получаем фотокарточку.(рис. 10)

Способы фотографирования непрерывно совершенствуются, но пока основным способом получения фотоснимков служит линзовый объектив.

III Практическая часть.

1) Приборы и материалы: квадратная коробка без крышки, картонная трубка, собирающая линза, лист кальки, ножницы, скотч, черная краска, кисточка, нож для резки бумаги и картона.

2) Ход работы:

1. Покрасить коробку в черный цвет.(фото 1, 2)

2. Ножом вырезать в донышке коробки круглое отверстие, в котором трубка должна легко двигаться вперед и назад.(фото 3)

3. Открытую сторону коробки заклеить калькой.(фото 4)

4. На одной из частей трубки закрепить с помощью скотча собирающую линзу.(фото 5)

5. Вставить трубку в отверстие в донышке коробки.(фото 6)

6. Направить аппарат линзой на хорошо освещенный предмет, а калькой – к глазам.(фото 7,8)

7. Получить на кальке действительное, перевернутое, уменьшенное изображение предмета.(фото 9)

VI Итог работы.

Подводя итоги своей исследовательской работы, могу сказать, что я рассмотрела зрительный анализатор человека с физической и биологической точек зрения, выяснила, какие дефекты зрения чаще всего встречаются у школьников, а также определила способы их коррекции и меры профилактики этих дефектов. Я доказала, что глаз человека – живой фотоаппарат. Изготовила модель простейшего фотоаппарата и при проведении лабораторного физического практикума на межпредметной основе показала принцип его работы, также работы зрительного анализатора.

Моя работа доказывает, что самую сложную и самую эффективную оптическую систему создала природа – это глаз человека.

Теоретическая подготовка к практикуму потребовала от меня комплекса знаний по физике, биологии, математике. Это сыграло большую роль в повышении уровня моей образовательной подготовки.

Моя исследовательская работа является одним из средств интенсификации занятий и повышения интереса учащихся к физике и биологии. Полученный материал может быть использован на факультативных занятиях и на уроках.

Тема данной работы кажется мне очень интересной и актуальной, поэтому я планирую продолжить ее исследование.

Меня очень увлек и заинтересовал процесс изготовления своими руками оптических приборов. И поэтому следующая цель, которую я ставлю перед собой,- самостоятельно и собственноручно создать настоящий телескоп!

V Список литературы.

• Г. А.Зисман. О. М. Тодес. Курс общей физики. Том 3. Москва. «Наука». 1972 год.
• Г. С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. Том 3. Москва. «Наука». 1975 год.
• С. И. Вавилов. Глаз и солнце. Москва. «Наука». 1976 год.
• В. Л. Булат. Оптические явления в природе. Москва. «Просвещение». 1974 год.
• Еженедельная газета издательского дома «Первое сентября». «Физика»: №11 2003 г.; №23 2000 г.; №8 2002 г.; №22 1997 г.; №36 1997 г.; №24 2001 г.
• Г. Роуэлл. С. Герберт. Физика. Москва. «Просвещение». 1994 год.
• А. В. Перышкин. В. П. Чемакин. Факультативный курс физики. Москва. «Просвещение». 1980 год.
• Большая книга экспериментов. Москва. «Росмэн». 2003 год.