Thí nghiệm quang học bằng mắt

23

Thí nghiệm quang học bằng mắt

Nghiên cứu thực nghiệm

Sau khi tiến hành các thí nghiệm mô hình và phân tích cẩn thận (xem «Kvant» Số 3, trang 19), bạn có thể tham gia thí nghiệm trực tiếp bằng mắt.

1. Thắp một chiếc đèn bàn có chụp mờ (hoặc một số nguồn sáng mở rộng và được xác định khá rõ ràng khác) và đặt nó cách bạn khoảng một mét. Đặt một tấm gương phẳng nhỏ trước mắt để nó không chặn các tia chiếu trực tiếp từ đèn vào mắt. Trong gương bạn sẽ thấy hình ảnh một chiếc đèn trên đồng tử của mắt.

Rõ ràng ảnh này được tạo ra bởi các tia phản xạ từ mắt. Nhưng tại sao chỉ có một? Rốt cuộc, các thí nghiệm mô hình hóa đã chỉ ra rằng phải có những hình ảnh chẵn!

Hãy so sánh cơn thịnh nộ của tất cả các hình ảnh có thể. Để làm điều này, chúng tôi thay thế các giá trị cụ thể của chỉ số khúc xạ của giác mạc, thủy dịch, thấu kính và thể thủy tinh vào công thức tính hệ số phản xạ ánh sáng $k$. Chúng tôi thấy rằng 2,5% được phản xạ từ bề mặt trước của giác mạc, 0,02% được phản xạ từ bề mặt sau của giác mạc và 0,03% luồng ánh sáng tới mắt được phản xạ từ bề mặt trước và sau của thấu kính. Điều này có nghĩa là độ sáng của hình ảnh đầu tiên lớn hơn khoảng một trăm lần so với độ sáng của các hình ảnh còn lại. Đó là lý do tại sao trong thí nghiệm chỉ có một hình ảnh - thu được từ bề mặt trước của ánh sáng từ bề mặt trước của giác mạc.

Đặt thước gần mắt (như trong Hình 1) và cùng với thước và gương, di chuyển thước đến gần đèn hơn (hoặc ra xa đèn) cho đến khi chiều rộng $l_1$ của hình ảnh đèn trở nên bằng, chẳng hạn như 1 mm. Đo khoảng cách $d$ giữa mắt và đèn và kích thước ngang $l$ của đèn. Sử dụng công thức phóng đại vật $\Gamma = \frac{l_1}{l} = \frac{R}{2d}$, tính bán kính giác mạc $R$ của mặt trước giác mạc.

Trong một trong những thử nghiệm của chúng tôi, độ dài thay đổi như sau: $l = 120$ mm, $l_1 = 1$ mm, $d = 450$ mm; do đó bán kính của kivizna

$$R = \frac{2dl_1}{l} = 7,5$$ mm.

2. Trong một căn phòng tối, cách bạn khoảng một polymet, hãy ngồi đối tác của bạn và yêu cầu anh ta, không nhìn lên, nhìn, chẳng hạn như bằng mắt trái, vào một vật thể nào đó nằm ở khoảng cách vài mét phía sau bạn. Bên cạnh mắt anh ta, cách khoảng 10-20 cm, đặt một bóng đèn làm đèn pin rồi thắp sáng. Bằng mắt phải, bạn sẽ nhìn thấy ngay một hình ảnh nhỏ, khá sáng của một bóng đèn trên đồng tử của mắt đối phương.

Hình 1.

24

Hình 2.

Di chuyển bóng đèn lên xuống, sang phải và trái (trong khi đối tác của bạn phải liên tục nhìn vào vật ở xa và không di chuyển mắt theo bóng đèn). Nếu quan sát cẩn thận, bạn sẽ nhận thấy thêm hai hình ảnh nữa, mặc dù yếu hơn nhiều, trong đồng tử: lớn hơn và nhỏ hơn so với hình ảnh đầu tiên.

Hình 2 thể hiện dưới dạng sơ đồ đồng tử của mắt và cả ba hình ảnh của dây tóc bóng đèn: hai hình đầu tiên là thẳng và hình thứ ba là đảo ngược.

Lưu ý rằng khi bóng đèn di chuyển, hình ảnh thứ hai di chuyển cùng hướng với hình ảnh thứ nhất và hình ảnh thứ ba di chuyển theo hướng ngược lại.

So sánh kết quả của thí nghiệm này với kết quả của các thí nghiệm mô hình. Rõ ràng, hình ảnh đầu tiên - trực tiếp và sáng nhất - được tạo ra bởi bề mặt trước của giác mạc (như trong thí nghiệm trước). Chỉ có thể tạo ra hình ảnh ấm áp (lật) bằng gương, tức là mặt sau của ống kính. Hình ảnh thứ hai (trực tiếp, giống như hình ảnh đầu tiên) được tạo ra bởi bề mặt sau của giác mạc hoặc bề mặt trước của thấu kính. Chính xác thì cái gì?

Như chúng tôi đã nói, trong thực tế, trong mắt phải có bốn hình ảnh, nhưng trong kinh nghiệm chỉ quan sát được ba hình ảnh. Tại sao? Hóa ra toàn bộ vấn đề là giác mạc rất mỏng và mặt sau của nó có độ cong gần như giống với mặt trước. Do đó, hình ảnh được tạo ra bởi cả hai bề mặt phải rất gần nhau. Vì độ sáng của hình ảnh được tạo bởi bề mặt trước của giác mạc lớn hơn nhiều so với độ sáng của hình ảnh thu được từ bề mặt sau của nó, nên thực tế cần phải nhìn hình ảnh sau trên nền của hình ảnh đầu tiên. Những thay đổi chính xác cho thấy đối với mắt trung bình, độ dày của giác mạc là 0,5 mm và bán kính cong của bề mặt trước và sau lần lượt là 7,7 mm và 6,8 mm. (So ​​sánh giá trị đầu tiên của bán kính cong với giá trị bạn thu được trong thí nghiệm 1.)

Do đó, ảnh thứ hai của dây tóc bóng đèn (xem Hình 2) là do sự phản xạ ánh sáng từ mặt trước của thấu kính. Nhưng từ điều này và từ thực tế là ảnh thứ ba thu được bằng cách phản chiếu ánh sáng từ mặt sau của thấu kính, thì thấu kính thực sự tồn tại!

3. Để thực hiện thí nghiệm sau đây, cần phải chuẩn bị sơ bộ. Đặt một vật nhỏ cách mắt đối tác của bạn 20-30 cm (ví dụ: một đĩa sâu đục thân màu trắng có đường kính khoảng 1 cm, được cố định bằng một cái đĩa ở đầu bút chì). Yêu cầu đối tác của bạn trước tiên nhìn vào một vật ở xa, sau đó nhìn vào một vật ở gần, trong khi bạn quan sát mắt anh ấy. Nếu đồng tử của mắt và cả hai vật nằm trên cùng một đường thẳng thì khi mắt đối tác điều chỉnh thì bản thân mắt sẽ bất động. Hãy cố gắng đạt được điều này, nếu không thử nghiệm sẽ không có kết quả thuyết phục.

Dùng vòng cao su gắn hai bóng đèn pin vào một thanh gỗ (hoặc bút chì) cách nhau 5-10 cm. Các bóng đèn sẽ chỉ ra các đầu của vật thể, hình ảnh mà bạn sẽ quan sát được khi ánh sáng phản chiếu từ mắt đối tác của bạn.

Yêu cầu đối tác của bạn nhìn vào một vật ở xa. Bằng cách di chuyển các bóng đèn đang cháy sang một bên mắt đối tác của bạn, bạn sẽ có được ba hình ảnh của một bóng đèn trong đồng tử của anh ấy. Bức ảnh trong Hình 3 cho thấy chính các bóng đèn và hình ảnh của chúng được tạo ra bởi giác mạc của mắt (các hình ảnh còn lại không thể chụp được vì

25

Chà, họ quá yếu). Hình 4a thể hiện dưới dạng sơ đồ cả ba hình ảnh của bóng đèn trong đồng tử.

Bây giờ hãy yêu cầu đối tác của bạn nhìn vào một vật thể gần đó bằng mắt đang được kiểm tra. Bạn sẽ thấy hình ảnh bóng đèn thứ hai được tạo ra bởi mặt trước của ống kính gần nhau hơn nhiều (Hình 4, 6). Những hình ảnh đầu tiên được chụp từ bề mặt trước của giác mạc sẽ có khoảng cách gần như nhau, và những hình ảnh thứ ba được tạo ra bởi bề mặt sau của thấu kính, hình ảnh được tạo ra bởi bề mặt trước của thấu kính sẽ giảm đi một chút, hình ảnh được tạo ra bởi bề mặt trước của giác mạc sẽ giảm đi một chút. Từ đó chúng ta có thể kết luận: việc điều chỉnh mắt ở khoảng cách gần hơn xảy ra chủ yếu do sự giảm

Hình 3.

Hình 4.

giảm bán kính cong của bề mặt trước của thấu kính.

Do đó, không cần nhìn thấy thấu kính, bạn không chỉ chứng minh được rằng nó tồn tại mà còn tìm ra cách thức hoạt động của nó.

Phân tích kết quả thu được

Hãy tóm tắt. Điều gì có thể được chứng minh bằng cách tiếp tục những thí nghiệm này? Đầu tiên, có một thấu kính trong mắt. Thứ hai, giác mạc của mắt rất mỏng và độ cong của các đặc điểm hình thể của nó thực tế là giống nhau. Thứ ba, chiết suất của thủy dịch và thể thủy tinh khác rất ít so với chiết suất của giác mạc và thủy tinh thể. Thứ tư, khả năng điều tiết của mắt là do sự thay đổi độ cong của bề mặt thủy tinh thể.

Phần kết luận

Rõ ràng trong kết luận họ cung cấp những gì đã hứa trong phần giới thiệu. Chúng tôi không muốn làm gián đoạn kết quả.

Ngồi sao cho đèn chiếu sáng ở phía sau bạn, hay nói đúng hơn là hơi lệch sang một bên, cách đầu bạn 1,5-2 m. Đặt đối tác bệnh nhân của bạn trước mặt bạn ở khoảng cách khoảng bằng một tấm polyme. Đưa cho anh ta một mảnh gương cũ, trên đó một lớp sơn bảo vệ và phần giữa đã được loại bỏ khỏi khu vực có đường kính 5-7 mm. Hãy thử đối tác của bạn nhìn vào mắt bạn qua lỗ trên lớp gương và xoay gương cho đến khi ánh sáng của đèn phản chiếu qua gương chiếu vào mắt bạn (bạn có thể dễ dàng ghi lại điều này). Lúc này, đối tác của bạn sẽ thấy rằng mắt bạn ngay lập tức phát sáng… với ánh sáng đỏ!