Т.И. МЕЛЬНИКОВА,
учитель биологии,
Г.Е. КАЗАНЦЕВА,
учитель физики,
Первомайская средняя школа,
Красноярский край

Глаз и оптические приборы

Интегрированный урок по биологии и физике

Цели урока: закрепить представление о линзах, их параметрах, применении линз на практике; ознакомиться со строением глаза, процессами, обеспечивающими восприятие зрительных образов, наиболее распространенными отклонениями зрения от нормы – близорукостью и дальнозоркостью.

Оборудование: микроскоп, телескоп, фильмоскоп, лупа, фотоаппарат и его модель, бинокль, на столах линзы, свечи.

Оформление: таблицы «Зрительный анализатор», «Гигиена зрения», «Виды изображений»; опорный конспект, рисунок «Почему заяц косой?».

ХОД УРОКА

Вступительное слово учителя: «Что такое биофизика?»

Наука древних была едина – понятием «физика» (природа) обозначалась вся совокупность сведений о живой и неживой природе. В этом единстве была сила науки, но одновременно и ее слабость. Разделение науки о природе на две области знания – о живом и неживом – произошло сравнительно недавно. Одним из первых, кто показал, что живые организмы можно изучать экспериментально, был Уильям Гарвей (1578–1657), исследовавший работу сердца. Сам термин «биология» впервые встречается в работе великого французского естествоиспытателя Ж.-Б. Ламарка «Исследование организации живых тел», написанной в 1802 г. С тех пор развитие биологии шло все более ускоряющимся темпом.

Долгое время считалось, что живое существует по своим законам, не имеющим отношения к неживой природе, т.е. что физика и биология – две самостоятельные и независимые науки. Однако уже Ньютон говорил о том, что жизнь и поведение живых тел зависит от физических процессов в них. Ньютон также был первым исследователем природы цветного зрения. Проблемами, которые сейчас назвали бы биофизическими, в разное время занимались такие великие ученые, как Д.Бернулли (1700–1782), Л.Эйлер (1707–1783), М.В. Ломоносов (1711–1765), Лавуазье (1743–1794), Лаплас (1749–1827), Дж.Максвелл (1831–1879) и многие другие. Основателем же биофизики, по-видимому, следует считать великого немецкого ученого Г.Гельмгольца, проведшего множество блистательных экспериментов по биофизике нервного импульса, биоакустике, фотобиологии.

В России первый лекционный курс под названием «Биофизика» в 1922 г. прочитал академик П.П. Лазарев, возглавлявший в 1920–1931 гг. созданный им Государственный институт биофизики, позже ставший знаменитым Физическим институтом АН СССР.

Сейчас биофизика переживает период бурного роста. Она превращается в теоретическую основу современной биологии – науку, изучающую физические механизмы и явления на различных уровнях структурной организации живых систем. С одной из областей биофизики мы познакомимся сегодня.

Проверка знаний

Работа с опорным конспектом

Учитель физики. На прошлом уроке мы с вами познакомились с понятием «линза», видами линз, их назначением и научились строить изображения предметов, даваемые линзами.
Сейчас мы этот материал коротко повторим, а затем поучимся получать различные изображения предмета (свечи) при помощи собирательной линзы.

Практическая работа (по звеньям)

Какие изображения предмета дает плоское зеркало? (Мнимое, прямое, всегда равное по размерам самому предмету.)
Линза может давать изображение, отличающееся по размерам от самого предмета. От чего зависит размер изображения? (От соотношения между расстоянием от предмета до линзы и фокусным расстоянием.)
У вас на столах приборы: собирающая линза, экран, свеча, изображение которой мы должны наблюдать и описывать. Практическую работу мы будем выполнять все одновременно, следуя моим указаниям.
Оценим фокусное расстояние линзы. Для этого при помощи собирающей линзы получите четкое изображение окна на экране. Измерьте расстояние от линзы до экрана – оно будет приблизительно равно фокусному расстоянию линзы. Запишите это значение в таблицу.
Зажгите свечу и расположите ее на расстоянии d<F от собирающей линзы. Запишите величину d в тетрадь.
Посмотрите через линзу на свечу. Вы видите изображение свечи? Какое оно? (Мнимое, прямое, увеличенное, уменьшенное.) Запишите наблюдение в тетрадь.
Расположите свечу на расстоянии F<d<2F. Запишите это расстояние. Где теперь располагается изображение? Какое оно? (Действительное, перевернутое, увеличенное.) Наблюдение запишите.
И, наконец, проделайте то же самое для случая d>2F. (Изображение действительное, перевернутое, уменьшенное.)
Итак, мы убедились, что с помощью линзы, в отличие от плоского зеркала, можно получать различные изображения.
Перед вами на моем столе приборы, главной частью которых является линза: лупа, фильмоскоп, микроскоп, фотоаппарат, телескоп. С устройством каждого из них мы ознакомиться просто не успеем, поэтому рассмотрим сейчас только устройство фотоаппарата. (Рассказ учителя.)
Линза – это не только основной элемент оптических приборов, созданных руками человека, это и основной элемент глаза. О строении глаза расскажет учитель биологии.

Изучение нового материала

Строение глаза

Рассказ учителя биологии и беседа по книге «Книга для чтения по анатомии, физиологии, гигиене человека» (с. 199–200).

Функции глаза

Учитель биологии. Мы видим только при наличии света. Интересный случай описывает С.С. Смирнов в книге «Рассказы о неизвестных героях». Русский солдат 9 лет, с 1915 по 1924 г., оставался в темном подземелье Брестской крепости. Он имел достаточное количество продовольствия и воды. Но свечей и спичек хватило только на 4 года, и следующие 5 лет этот человек провел в полной темноте. Отвыкнув от света, он ослеп.
Глаз – очень чувствительный оптический прибор, он воспринимает количество света всего в несколько фотонов.
Мы видим все предметы так, как они расположены на самом деле, хотя на сетчатке глаза их изображения перевернуты. Объяснить причину этого помог следующий опыт.
Испытуемому одели специально изготовленные очки, которые он должен был носить, не снимая, несколько дней. Их стекла были подобраны так, что на сетчатке возникали не обратные, а прямые изображения предметов. Весь мир испытуемому показался опрокинутым: потолок он видел внизу, пол – вверху. Первое время он не мог сделать с открытыми глазами ни одного шага, ни одного правильного движения. Вот его впечатления.
«Когда я делал шаг, звук слышался снизу, а пение птицы, сидевшей на дереве, – сверху. Рецепторы, находящиеся в мышцах, сигнализировали мне о том, что сила тяжести моего тела направлена вниз. Чтобы поднять предмет с пола, я нагибался, а не тянулся вверх. И через несколько дней возбуждения, поступавшие в мозг от всех остальных органов чувств, выправили ошибку зрения. Мир вернулся в обычное положение, и все вещи стали на свои места. Две недели я носил очки и чувствовал себя так, словно никаких стекол на глазах не было. Но вот очки сняли – и мир вновь опрокинулся. Опять понадобилось несколько дней, чтобы я снова мог увидеть окружающее таким, каково оно в действительности».
Этот опыт позволил установить, что мы воспринимаем внешний мир благодаря взаимодействию возбуждений, поступающих от всех органов чувств. Это взаимодействие осуществляется в головном мозге. Можно сказать, что видит мозг, а не глаз. Зрение – это корковый процесс, и он зависит от информации, поступающей от глаза в зрительные центры мозга.

Глаз и фотокамера

Моделью глаза является фотокамера. Объектив соответствует преломляющим средам глаза, диафрагма фотоаппарата – зрачку. В линзах и в глазу преломление света происходит по общим законам физики.
Глаз – самонастраивающийся прибор, он позволяет нам видеть близкие и удаленные предметы. Основную роль в этом играет хрусталик, который то сжимается в шарик, то растягивается, тем самым меняя фокусное расстояние. В простом фотоаппарате этому соответствует изменение расстояния между объективом и фотопленкой. Фотопленке соответствует сетчатка глаза. Конечно, нельзя сравнить фотохимические реакции пленки со сложными физиологическими процессами в сетчатой оболочке глаза. Для ознакомления с некоторыми физиологическими процессами мы с вами проведем опыты, описанные в «Книге для чтения» (с. 149–152).

Дефекты зрения

Учитель физики. До сих пор мы говорили о нормальном глазе. Но довольно часто встречаются дефекты зрения, связанные с особенностями строения глаза, – близорукость и дальнозоркость. (Рассказывает о нарушениях зрения.)

Сообщения учащихся

1. Как видит близорукий. (Приложение 1.)
2. Возвращенное зрение. (Приложение 2.)
3. Почему заяц косой? (Приложение 3.)

Приложение 1.

Как видят близорукие

Близорукий без очков видит плохо. Но что, собственно, он видит и какими именно представляются ему предметы, – об этом люди с нормальным зрением имеют смутное представление.
Прежде всего, близорукий человек без очков никогда не видит резких контуров: все предметы для него имеют расплывчатые очертания. Человек с нормальным зрением, глядя на дерево, различает отдельные листья и веточки, отчетливо вырисовывающиеся на фоне неба. Близорукий же видит лишь бесформенную зеленую массу неясных очертаний, мелкие же детали для него пропадают.
Близоруким людям человеческие лица кажутся, в общем, моложе и привлекательнее, чем человеку с нормальным зрением. Морщины и другие мелкие изъяны близорукие люди не замечают, красный цвет кожи кажется им нежным румянцем. Мы удивляемся наивности иных своих знакомых, ошибающихся чуть ли не на 20 лет в определении возраста людей, поражаемся их странным вкусом в оценке красоты, виним их в неучтивости, когда они смотрят нам прямо в лицо и словно не желают узнать... Все это часто происходит просто от близорукости.
«В лицее, – вспоминает поэт Дельвиг, современник и друг Пушкина, – мне запрещали носить очки, зато все женщины казались мне прекрасны; как я разочаровался после выпуска». Когда близорукий (без очков) беседует с вами, он вовсе не видит вашего лица, – во всяком случае видит не то, что вы предполагаете: перед ним расплывчатый образ, и нет ничего удивительного в том, что, встретив вас через час, он уже не узнает вас. Большей частью близорукий узнает людей не столько по внешнему облику, сколько по голосу: недостаток зрения восполняется изощренностью слуха.
Интересно также проследить за тем, каким рисуется близоруким людям мир ночью. При ночном освещении все яркие предметы – фонари, лампы, освещенные окна и т.п. – разрастаются для близорукого до огромных размеров, превращая картину в хаос бесформенных ярких пятен, темных и туманных силуэтов. Вместо линий фонарей на улице близорукие видят 2–3 огромных ярких пятна, которые заслоняют для них всю остальную часть улицы. Приближающийся автомобиль они не различают, вместо него видят только два ярких ореола (фары), а сзади них темноту.
Даже ночное небо имеет для близоруких совсем другой вид: близорукий видит лишь звезды первых трех-четырех величин. Луна представляется близорукому огромной и очень близкой, полумесяц же принимает замысловатую, фантастическую форму.

Приложение 2.

Возвращенное зрение

Слепота – большое несчастье. В старые времена считалось, что в сравнении с ней даже смерть – меньшее зло. Слепые в дореволюционной России, как правило, были обречены на нищенство и голод. Только ослепших после оспы было свыше 50 тыс. У многих слепых были бельма на роговице, которые совершенно закрывали свет. Многие тысячелетия избавить от них людей считалось невозможным.
Как снять завесу и тем самым дать возможность лучам света пройти в глаз? Пробовали удалять бельмо, но после операции образовывался рубец и зрение не восстанавливалось. Делали и такие операции: больным с небольшим бельмом, у которых некоторые участки роговицы были прозрачными, сбоку от зрачка удаляли часть радужной оболочки. На некоторое время это возвращало зрение.
Только академику В.П. Филатову удалось разработать успешные методы лечения слепоты пересадкой роговицы.
Владимир Петрович Филатов с тщательностью ювелира проводил операции на глазе. Он изобрел тончайшие инструменты. С помощью особого круглого острого ножа-трепанга вырезали диск бельма. Заранее приготавливали роговицу из глаза трупа и консервировали ее на холоде. Консервированную роговицу укладывали на место вырезанного диска. Пересаженная роговица приживалась, и слепой становился зрячим.
Имя В.П. Филатова известно во всем мире. Он был замечательным ученым, гуманистом, крупным общественным деятелем.
Сейчас разработаны новые методы хирургических операций с помощью лучей лазера, научились заменять больной хрусталик искусственным.
Помутнение хрусталика – катаракта – и теперь одна из наиболее распространенных болезней глаза. В 1970-е гг. был разработан новый способ борьбы с катарактой. Хрусталик измельчают особыми приемами до состояния взвеси, которую отсасывают с помощью полой иглы и шприца. Вся процедура занимает несколько минут. В этом случае разрез роговицы составляет всего 1,5 мм и требуется только один шов. Старый метод извлечения целого хрусталика требовал наложения на роговицу 10–15 швов длиной 15–18 мм. Легко понять, насколько современная операция безопаснее для глаза. Вторая часть операции состоит в пересадке искусственного хрусталика вместо удаленного. В настоящее время можно утверждать, что половина всех случаев слепоты излечима.

Приложение 3.

Почему заяц косой? 

Человек – одно из немногих существ, у которых оба глаза приспособлены к одновременному рассматриванию какого-нибудь предмета: поле зрения правого глаза лишь немного не совпадает с полем зрения левого. Большинство животных смотрит каждым глазом отдельно. Видимые ими предметы не отличаются той рельефностью, к которой мы привыкли, но зато их поле зрения гораздо шире, чем у нас. На рис. 1 изображено поле зрения человека: каждый глаз видит по горизонтальному направлению в пределах угла в 120°, и оба угла перекрывают друг друга (глаза предполагаются неподвижными).

Рис. 1

Рис. 2

На рис. 2 изображено поле зрения зайца. Не поворачивая головы, заяц своими широко расставленными глазами видит не только то, что находится впереди, но и то, что позади. Поля зрения его глаз смыкаются и спереди, и сзади! Теперь вам понятно, почему так трудно подкрасться к зайцу, не спугнув его. Зато заяц, как ясно из чертежа, совершенно не видит того, что расположено непосредственно перед ним, в этом случае ему приходится поворачивать голову набок.

Рис. 3

На рис. 3 показано расположение полей зрения лошади: они сзади не сходятся, но животному достаточно лишь слегка повернуть голову, чтобы увидеть предметы, расположенные сзади. Зрительные образы здесь, правда, не так отчетливы, но зато от животного не ускользает малейшее движение, совершающееся вокруг него.