人眼的结构
眼球近似球形,直径约2.3厘米。按光线经过的先后顺序,主要部分有:
- 角膜:前面透明、向外凸的“窗户”。光的大部分折射都发生在这里。
- 虹膜:有颜色的圆环。它控制中间黑色小孔瞳孔的大小:暗处让更多光进入,强光下让进入的光变少。
- 晶状体:透明、像果冻一样的凸透镜,负责精细调焦。
- 睫状肌:固定晶状体,并改变它的弯曲程度。
- 视网膜:后面对光敏感的“屏幕”,上面有视杆细胞和视锥细胞,把光变成电信号。
- 视神经:把信号送到大脑。大脑接收到倒立的像,再把它“翻正”后呈现给我们。
所以眼睛相当于一个透镜系统:角膜加晶状体在视网膜上成一个倒立、缩小的实像。
调节作用
晶状体到视网膜的距离不能改变,所以眼睛改变的是晶状体的焦距。
- 看远处 → 睫状肌放松 → 晶状体变薄 → 焦距最长。
- 看近处 → 睫状肌收缩 → 晶状体变厚 → 焦距变短。
这种能力叫做调节作用。它是有限度的:
- 近点(明视距离):年轻的正常眼约为25厘米。
- 远点:正常眼是无穷远。
瞳孔为什么会变大变小
在暗的房间里瞳孔变大,收集更多的光;走到阳光下瞳孔变小。这是虹膜自动完成的。
视力缺陷及其矫正
近视
近处的东西清楚,远处的东西模糊。远点比无穷远近。原因:眼球太长,或晶状体太凸(会聚能力太强)。远处物体的像成在视网膜前面。矫正:用合适焦度的凹透镜(发散透镜),焦距 = −(远点)。
远视
远处的东西清楚,近处的东西模糊。近点比25厘米更远。原因:眼球太短,或晶状体焦距太长。近处物体的像会成在视网膜后面。矫正:用凸透镜(会聚透镜)。
老花眼
随着年龄增长,睫状肌变弱,晶状体不再那么有弹性,所以近点变远。老年人需要老花镜(凸透镜)。有的人既近视又老花,就用双光镜片:上半部分是凹透镜看远处,下半部分是凸透镜看近处(阅读)。
其他办法
隐形眼镜和眼科手术也可以矫正这些缺陷。老年时晶状体变浑浊叫白内障,要通过手术治疗。
为什么有两只眼睛,以及考试要点
两只眼睛视野更宽,还能帮助判断远近(立体视觉),因为两只眼睛看到的画面略有不同。
考试题型:常考2到3分的题,如画出近视/远视及其矫正的光路图;一道关于透镜焦度的计算题(P = 1/f,f 以米为单位);还有1分的小题,考近点、远点、调节作用以及虹膜/瞳孔的作用。
重点公式和概念
- 透镜的焦度:P = 1 / f(f 以米为单位),单位为屈光度(D)
- 近视的矫正:凹透镜,f = −(有缺陷眼睛的远点)
- 远视的矫正:1/f = 1/0.25 − 1/(近点,单位为米),用凸透镜
- 正常眼:近点 ≈ 25 cm,远点 = 无穷远
- 凹透镜 → 焦度为负;凸透镜 → 焦度为正
例题讲解
1. 一位近视的人看不清2 m以外的东西。需要什么透镜,焦度是多少?
远点 = 2 m。凹透镜要让平行光看起来像是从2 m远处射来的,所以 f = −2 m。P = 1/f = −0.5 D。需要−0.5 D的凹透镜。
2. 一名学生的远点是80 cm。求矫正透镜的焦度。
f = −80 cm = −0.8 m。P = 1/(−0.8) = −1.25 D(凹透镜)。
3. 医生开了−2.5 D的镜片。这是什么缺陷?远点在哪里?
焦度为负说明是凹透镜,所以缺陷是近视。f = 1/P = 1/(−2.5) = −0.4 m。远点是40 cm。
4. 一只远视眼的近点在1 m处。要在25 cm处看书,需要什么透镜?
透镜要把25 cm处的书成一个在1 m处的虚像。用 1/f = 1/v − 1/u,u = −25 cm,v = −100 cm:1/f = −1/100 + 1/25 = 3/100,所以 f = 33.3 cm = 0.333 m。P = +3 D(凸透镜)。
5. 一位老人的近点是50 cm。求他老花镜的焦度。
u = −25 cm,v = −50 cm。1/f = 1/v − 1/u = −1/50 + 1/25 = 1/50,f = 50 cm = 0.5 m,P = +2 D。
6. 一个人看远处需要−1.5 D,阅读需要+2 D。她应该戴什么眼镜?
她既有近视又有老花,所以需要双光镜片:上半部分是凹透镜(−1.5 D,f ≈ −67 cm)看远处,下半部分是凸透镜(+2 D,f = 50 cm)阅读。
常见错误
- 说眼睛改变的是晶状体和视网膜之间的距离。其实改变的是晶状体的焦距(厚薄)。
- 把透镜搞混:近视要用凹透镜(负透镜);远视和老花眼要用凸透镜(正透镜)。
- 用 P = 1/f 之前忘了把厘米换成米。
- 说看远处时睫状肌收缩。其实看远处时睫状肌放松,看近处时才收缩。