眼睛的結(jié)構(gòu)與工作原理

1、 第一章 透 鏡第一節(jié) 眼 睛一、 眼睛的結(jié)構(gòu)人的眼睛為一個(gè)直徑為2cm的球體。眼球的前部凸出的透明部分，稱為角膜。眼球里有一個(gè)含有纖維膠質(zhì)的透明液體，稱為晶狀體。晶狀體與角膜之間充滿無色透明液體水樣液，晶狀體與視網(wǎng)膜之間充滿無色透明膠狀物質(zhì)玻璃體。角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體的共同作用相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡。從物體射進(jìn)眼里的光經(jīng)過這個(gè)凸透鏡折射后，在視網(wǎng)膜上成一倒立的縮小的實(shí)象，刺激分布在視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞，視覺神經(jīng)將這種刺激傳給大腦視覺中樞，從而使我們產(chǎn)生視覺看見了眼前的物體。二、 眼睛的調(diào)節(jié)正常的眼睛眺望遠(yuǎn)方時(shí)，遠(yuǎn)處物體的像成在視網(wǎng)膜上。在觀看近處物體時(shí)，物距縮短了，像仍然成在視網(wǎng)膜上。這是因

2、為晶狀體本身是有彈性的，可以靠周圍肌肉的運(yùn)動改變它的表面的彎曲程度，在觀看遠(yuǎn)方物體時(shí)，晶狀體由于周圍肌肉的作用，表面彎曲程度最小，這時(shí)眼睛的焦距最大。在觀看較近處物體時(shí)，也是由于周圍肌肉的作用，晶狀體表面彎曲程度變大，焦距縮短。因此，正常眼無論是看遠(yuǎn)處物體還是看較近處物體，像都能成在視網(wǎng)膜上?？梢娧劬κ蔷傻淖兘咕嘞到y(tǒng)，當(dāng)物距改變時(shí)，它能靠改變晶狀體表面的彎曲程度改變眼睛的焦距。這種作用叫做眼睛的調(diào)節(jié)。眼睛的調(diào)節(jié)作用是有一定限度的。當(dāng)晶狀體表面彎曲程度最小，眼睛的焦距最大，人眼能看到的最遠(yuǎn)點(diǎn)，成為眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)。正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處。當(dāng)晶狀體表面彎曲程度最大，眼睛的焦距最小，人眼能看到的最近點(diǎn)

3、，成為眼睛的近點(diǎn)。正常眼睛的近點(diǎn)約在離眼睛10cm處。也就是說靠眼睛的調(diào)節(jié)作用，正常眼睛看清物體的范圍是從離眼10cm處到無窮遠(yuǎn)。在合適照明的情況下，正常眼睛觀看距眼睛25cm處的物體，不容易疲勞，通常把25cm稱為明視距離。三、 近視眼和遠(yuǎn)視眼近視眼的視網(wǎng)膜距晶狀體過遠(yuǎn),或者晶狀體比正常眼睛的晶狀體凸一些,因此從無窮遠(yuǎn)處射來的平行光不能會聚在視網(wǎng)膜上，而會聚于視網(wǎng)膜前(圖27-20甲).所以近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)不在無窮遠(yuǎn)處，而在某個(gè)有限距離處,近視眼的進(jìn)點(diǎn)也比正常眼近.近視眼的明視距離小于25cm。配戴適當(dāng)?shù)陌纪哥R做眼睛，可矯正近視眼視力（圖27-20乙）。 乙圖27-20甲圖27-20遠(yuǎn)視眼的視網(wǎng)

4、膜距晶狀體過近，或者晶狀體比正常眼睛的晶狀體扁平些，平行光的會聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜后（圖27-21甲），即到達(dá)視網(wǎng)膜上的會聚光尚未成像，必須調(diào)節(jié)晶狀體再凸一些，才能使平行光會聚在視網(wǎng)膜上。遠(yuǎn)視眼的近點(diǎn)比正常眼遠(yuǎn)寫。遠(yuǎn)視眼的明視距離大于25cm，配戴適當(dāng)?shù)耐雇哥R做眼睛，可矯正遠(yuǎn)視眼的視力（圖27-21乙）。 甲圖27-21 乙圖27-21四、 眼鏡的焦度和屈光度透鏡焦距的倒數(shù)，稱為透鏡的焦度。我們知道，對凸透鏡（或凹透鏡）來說，焦距f越小，對光的會聚（或發(fā)散）作用越大，焦距的倒數(shù)（1/f）即焦度的數(shù)值也越大。因此用焦度的大小反映其對光的會聚（或發(fā)散）能力的大小更為直接。即焦度這個(gè)物理量反映了透鏡對光的聚

5、集能力。焦度的單位叫屈光度，人們規(guī)定，f=1m的透鏡焦度為1屈光度。同凸透鏡和凹透鏡焦距正負(fù)的規(guī)定一樣，凸透鏡的焦度為正，凹透鏡的焦度為負(fù)。眼鏡的焦度通常用“度”作單位，1度等于1屈光度的百分之一，即1屈光度=100度。例如，一付用焦距為50cm的凸透鏡制作的眼鏡，它的焦度為1/0.5cm=2屈光度，即200度。另一付用焦距為-40 cm的凹透鏡制作的眼鏡，它的焦度為1/-0.4m=-2.5屈光度,即-250度.練 習(xí) 一1、正常眼睛從看遠(yuǎn)處物體變?yōu)橛^看近處物體時(shí)（ ）A、 晶狀體表面彎曲程度變大，眼睛的焦距變大B、 晶狀體表面彎曲程度變大，眼睛的焦距變小C、 晶狀體表面彎曲程度變小，眼睛的焦

6、距變大D、 晶狀體表面彎曲程度變小，眼睛的焦距變小2、造成近視眼的缺陷原因是（ ）A、 晶狀體比正常眼睛扁一些，或者晶狀體距視網(wǎng)膜過近B、 晶狀體比正常眼睛扁一些，或者晶狀體距視網(wǎng)膜過遠(yuǎn)C、 晶狀體比正常眼睛凸一些，或者晶狀體距視網(wǎng)膜過近D、 晶狀體比正常眼睛凸一些，或者晶狀體距視網(wǎng)膜過遠(yuǎn)3、平行光進(jìn)入近視眼中（ ）A、 會聚于視網(wǎng)膜前，可配戴凸透鏡作的眼鏡矯正視力B、 會聚于視網(wǎng)膜前，可配戴凹透鏡作的眼鏡矯正視力C、 會聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜后，可配戴凸透鏡作的眼鏡矯正視力D、 會聚點(diǎn)在視網(wǎng)膜后，可配戴凹鏡作的眼鏡矯正視力第二節(jié) 放大鏡一、 視角用眼睛觀看物體時(shí)，能否看清楚物體與物體在視網(wǎng)膜上成像的大

7、小有關(guān)。視網(wǎng)膜上像的大小決定與眼睛的光心對物體所張的角度，即眼睛的光心O向物體兩端所引的兩條直線所夾的角，如圖27-22所示，這個(gè)角稱為視角。要使兩個(gè)物體或一個(gè)物體上的兩個(gè)點(diǎn)能被眼睛區(qū)分開，必須使他們的像能夠落在兩個(gè)不同的感光細(xì)胞上，為此觀看它們的視角必須大于一定的數(shù)值，由實(shí)驗(yàn)可知，正常眼睛能夠分辨清楚兩個(gè)點(diǎn)的最小視角約為1。為了分辨清楚物體的細(xì)節(jié)，就需要增大觀看物體的視角。將物體向眼睛移近可以增大視角，如圖27-23所示。單靠這種方法來增大視角，不僅有其局限性（如有的物體不能象眼睛移近），而且是有一定限度的。所以在觀看微小物體時(shí)，常常是利用放大鏡、顯微鏡，觀看很遠(yuǎn)處的物體時(shí)用望遠(yuǎn)鏡，以增大視

8、角。圖27-22圖27-23二、 放大鏡通過凸透鏡觀看放于焦點(diǎn)內(nèi)的物體，可以增大視角。所以通常把凸透鏡又稱作放大鏡。下面我們來說明放大鏡的視角放大作用。 如圖27-24所示，用眼睛直接觀看放在明視距離上AB時(shí)，視角為1。若用放大鏡來觀看物體AB，AB經(jīng)放大鏡的成像光路圖，當(dāng)把像AB也調(diào)到眼睛的明視距離上（忽略眼睛與放大鏡的距離），觀看像AB的視角2。不難2比1要大許多倍。這就是利用放大鏡來增大視角的原理。AB圖27-24顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡也是以增大視角為目的的光學(xué)儀器，有興趣的同學(xué)可以查閱這方面的資料。練習(xí)二一個(gè)物體在離透鏡20cm處，當(dāng)他向外移動時(shí)，其倒立的像移動速度小于物體移動速度，可見此透鏡

9、是（ ）A、 凸透鏡，焦距f10cmB、 凸透鏡，焦距f10cmC、 凹透鏡，焦距f10cm第三節(jié) 門鏡的原理裝在門上的家用觀察鏡，俗稱“貓眼”。室內(nèi)人通過門鏡可看清門外來訪者的面貌，而門外人通過它卻看不清室內(nèi)的人或物。門鏡的光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)同軸透鏡所組成。其中兩個(gè)是相同的平凹透鏡，它們凹面相對密接在一起，相當(dāng)于是一個(gè)凹透鏡，面向門外，稱作物鏡。第三個(gè)透鏡是平凸透鏡，面向門內(nèi)，稱作目鏡。透鏡的直徑一般小于1cm，分別固定在一個(gè)金屬管的兩端，物鏡 目鏡 構(gòu)成門鏡。物鏡的后焦點(diǎn)F1和目鏡的前焦點(diǎn)F2重合，重合點(diǎn)在物鏡的外側(cè)。從室內(nèi)向外看時(shí)，門鏡相當(dāng)于是一個(gè)反向使用的伽里略望遠(yuǎn)鏡，它對門外物成虛象，像

10、的視角小于物的視角。它有較大的視場，其視場角約為1200。這樣，通過它可看到室外較大范圍內(nèi)得人和物，從而可辨認(rèn)來訪者。從室外向內(nèi)看時(shí)，門鏡相當(dāng)于是一個(gè)伽里略望遠(yuǎn)鏡，對室內(nèi)物成虛象，像的視角大于物的視角。它的視場范圍很小，于是只能看到室內(nèi)人或物很小的局部，無法由此辨認(rèn)室內(nèi)的人或物。而且，由于室內(nèi)光照度小，物鏡和目鏡之間的距離又是固定不變的，加之像差的存在，因此對大部分的物而言，像還是模糊不清的。門鏡的目鏡焦距一般約為物鏡的4至6倍 ，即從室外看，它是一個(gè)視角放大率（放大倍數(shù)）為4至6倍的伽里略望遠(yuǎn)鏡。門鏡是裝在厚度為35cm的門上的，故物鏡和目鏡之間的距離應(yīng)小于此值。由以上兩個(gè)要求可知，物鏡和目

11、鏡都應(yīng)是短焦距的。例如，一種市售門鏡的數(shù)據(jù)如下：物鏡焦距為-0.4cm，目鏡焦距為2.6cm，間距為2.2cm。為降低門鏡的價(jià)格，在不影響辨認(rèn)來訪者的條件下，鏡片可用塑料制成，亦允許存在像差。實(shí) 踐 題研究實(shí)踐題目：了解望遠(yuǎn)鏡原理實(shí)踐要求：制作簡易望遠(yuǎn)鏡。主要器材：以可樂桶和光學(xué)元件為主要制作器材。第四節(jié) 凸透鏡的反射成像圖1幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，利用自準(zhǔn)直原理測量透鏡之焦距是一種簡單而方便的測量方法。原理如圖1所示。測量時(shí)，只要前后移動透鏡，當(dāng)物與透鏡之間的距離恰為透鏡之焦距時(shí)，物平面處會出現(xiàn)與原物等大而倒立的實(shí)象?？墒?，當(dāng)取掉M，前后移動透鏡，物平面處仍然會出現(xiàn)與原物體等大而倒立的實(shí)象，但此時(shí)物

12、與透鏡間的距離并非所測透鏡之焦距。那么，這個(gè)像是怎樣形成的呢？我們知道，透鏡的成像是通過組成透鏡的兩個(gè)折射面對物光的折射而形成的，實(shí)際上，當(dāng)物光經(jīng)過第一個(gè)折射面到達(dá)第二折射面時(shí)會受到第二折射面的反射，反射的光線再經(jīng)第一折射面折射而在空間成像。若不斷改變物體與透鏡之間的距離，就會在物與透鏡之間得到一系列縮小的倒立實(shí)像，這些像，就是所測凸透鏡的反射成像。而當(dāng)反射所成之像與原物等大而倒立時(shí)，像面的位置恰與物面重合，這就形成了前所提到非焦面處存在的等大而倒立的實(shí)像。由于凸透鏡反射像的形成總共經(jīng)過了折射反射折射三次成像。為了方便地確定各次成像的位置，首先應(yīng)規(guī)定物距、像距的符號法則。這里我們規(guī)定：從物點(diǎn)到

13、反射面或折射面的方向順光線物距為正，逆光線為負(fù)；從反射面或折射面到圖2像面的方向，與此面反射或折射光方向相同像距為正，反之為負(fù)。現(xiàn)在，我們就來詳細(xì)討論凸透鏡的反射成像及它與透鏡的曲率半徑R1、R2和折射率n的關(guān)系。一、 第一折射面的折射成像如圖2，透鏡的前表面發(fā)生折射，在與物的同側(cè)產(chǎn)生一正立虛象，其物、像關(guān)系為 ： 圖3像的橫向放大率為：二、 第二面的反射成像如圖3，第一折射面所成的虛象o1p1 為第二面反射的物，成像為o2p2，物、像關(guān)系為：橫向放大率為：三、 第一折射面的第二次折射成像如圖4所示，第二折射面的反射像o2p2作為第一折射面再次折射時(shí)的物，在同側(cè)成像為o3p3，物、像關(guān)系為：

14、圖4橫向放大率為：將上面（1），（2），（3）式聯(lián)立求解得：從上面的分析可見，對于形成透鏡自反射像這一光學(xué)系統(tǒng)，其橫向放大率為：對于物、像共面處，有k總=-1，所以有：同理，若以R2面為第一折射面時(shí)，物、像共面處物與透鏡之間距u1為：由（5），（6）式可見，對于物、像共面處的反射成像位置，只取決于透鏡的曲率半徑和折射率。由于透鏡的焦距為：聯(lián)立（5），（6），（7）三式解之得：式中的f,u1,u1可利用圖1所示的光路很方便地測得。這樣，我們就可以通過上面所列出的關(guān)系式來求得所測透鏡的曲率半徑和折射率。利用上述方法，我們在實(shí)驗(yàn)中對普通薄透鏡的曲率半徑進(jìn)行測量，結(jié)果表明，此方法的測量值是可靠的，并且比干涉法測量的結(jié)果與實(shí)