Материалы для методического обеспечения занятия

Одесский национальный медицинский университет

Кафедра биофизики, информатики и медицинской аппаратуры

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ТЕМЫ:

"Геометрическая оптика"

для студентов медицинского университета

Утверждено

на методическом совет кафедры

"___"____________ 2010 г.

Протокол №____

Зав. кафедрой,

профессор Годлевский Л.С.

Одесса, 2010 г.

1. Тема: "Геометрическая оптика" – 2ч.

Актуальность темы

Данная тема есть часть раздела "Оптика".

В связи с важностью изучения и исследования биологических тканей и внутренних полостей человека с минимально возможными побочными эффектами, более детального исследования строения биологических тканей используются различные оптические системы: микроскоп, микрофотография, ультрамикроскоп, эндоскоп, волоконный гастроскоп (один из основных приборов для подобных исследований). Работа их построена на основе представлений о световой волне как линии, вдоль которой распространяется энергия световой волны. Устранения эффектов зрения человека различными способами также определяется законами геометрической оптики.

Цели занятия

В результате этого занятия

3.1. Планируется ознакомить студентов с основными законами геометрической оптики, обратить внимание студентов на роль этих законов в устранении дефектов зрения человека.

3.2.Студент должен

знать:

– законы преломления и отражения света;

– возможные погрешности реальных оптических систем;

– причины погрешностей оптических систем;

– формулы для тонкой линзы;

– способы устранения погрешностей оптических систем;

– понятие идеально центрированной оптической системы;

– формулы для центрированной оптической системы;

– особенности строения глаза, как оптической системы;

– нормы параметров структур глаза и их возможные отклонения от нормы;

– оптические приборы, служащие для увеличения угла зрения;

– основные формулы для простейших оптических приборов (лупы, микроскопы);

– наименьший угол зрения;

– оптическую систему биологического микроскопа;

– формулу для увеличения микроскопа;

– разрешающую способность микроскопа;

усвоить:

– формулу тонкой линзы и объяснить, при каких предположениях она получена;

– разбираться в строении биологического микроскопа и возможных его нарушений;

3.3. Планируется предоставить студентам возможность овладеть навыками в результате:

– оценки минимально различных точек для человеческого глаза;

– оценки минимально различных точек при наблюдении за предметами через оптическую систему типа линзы или микроскопа;

– измерений размеров микроскопических объектов с помощью различных оптических систем.

Воспитательные цели занятия.

В результате данного занятия студенты знакомятся с основными законами геометрической оптики, на которых основаны медицинские методики по устранению дефектов зрения человека.

Междисциплинарная интеграция

Содержание темы занятия (тезисы основных положений)

1. Геометрическая оптика есть предельный случай волновой оптики при стремлении длины волны к нулю. Пример – дифракционная решетка. При λ → 0 следует α → 0 т.е. получаем обычное для линзы фокусирование параллельного пучка света в точке 0 фокальной плоскости.

2. Для выяснения предельных возможностей оптических систем приходится учитывать волновой характер света. Поэтому здесь частично нужно рассматривать вопросы интерференции и дифракции.

3. Из школьного курса известна формула тонкой линзы:

,

где а ₁ – расстояние от предмета до линзы;

а ₂ – расстояние от изображения до линзы;

R₁ и R₂– радиусы кривизны передней и задней сферических поверхностей линзы;

n – показатель преломления вещества, из которого изготавливается линза.

Фокусное расстояние до такой линзы:

;

Аберрации или погрешности реальных оптических систем существенно снижают качество оптических систем.

Сферическая аберрация состоит в том, что периферические части линзы сильнее отклоняют лучи, идущие от точки S на оси, чем центральные. Изображение светящейся точки на экране Э имеет вид светлого пятна.

Астигматизм – это недостаток оптической системы, при которой сферическая световая волна, проходя оптическую систему, деформируется и перестает быть сферической.

Различают два вида астигматизма – астигматизм косых пучков и астигматизм, обусловленный асимметрией оптической системы.

Дисторсия – этот вид аберрации возникает вследствие того, что лучи, посылаемые предметом в систему, составляют большие углы с оптической осью, при этом зависимость линейного увеличения от угла пучка приводит к нарушению подобия изображения и предмета.

Хроматическая аберрация. Пучок белого света, идущий параллельно главной оптической оси, будет фокусироваться в разных ее точках, разлагаясь в спектр (ф – фиолетовые лучи, к – красные), кружок на экране будет окрашенным. В этом заключается хроматическая аберрация.

4. Центрированные оптические системы – это системы сферических поверхностей (линз), центры которых лежат на одной прямой – главной оптической оси.

Теория идеальной центрированной оптической системы предложена Гауссом.

	F1H1 = -f1 F2H2 = f2

А ₁ Q ₁C₁ C₂ Q₂В₂

h h

α ₁ Q₁ H₁ H₂ Q₂ α ₂ F₂

F1

B₁ A₂

-f₁ f₂

5. Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в оптике особое место. Собственно глазом является глазное яблоко. Стенки глаза состоят из: наружной, средней и внутренней концентрически расположенных оболочек. Наружная боковая оболочка – склера – в передней части превращается в роговицу. Наружный покров роговицы переходит в конъюнктиву, прикрепленную к векам.

К склере прилегает сосудистая оболочка, которая в передней части переходит в радужную, в которой имеется круглое отверстие – зрачок. Непосредственно к зрачку с внутренней стороны глаза примыкает хрусталик (подобие двояковыпуклой линзы).

Между роговицей и хрусталиком расположена передняя камера глаза, заполненная водянистой жидкостью, близкой по оптическим свойствам к воде. Вся внутренняя часть глаза занята прозрачной студенистой массой – стекловидным телом.

Рассмотренные элементы глаза в основном относятся к его светопроводящему аппарату. Зрительный нерв входит в глазное яблоко через заднюю стенку. Разветвляясь, он переходит в сетчатку, или ретину (рецепторный аппарат глаза).

В сетчатке находятся светочувствительные зрительные точки, периферические концы которых имеют различную форму (палочки и колбочки).

В месте вхождения зрительного нерва находится не чувствительное к свету слепое пятно. В середине сетчатки лежит самое чувствительное к свету желтое пятно.

6. Глаз может быть представлен как центрированная оптическая система, образованная роговицей, жидкостью передней камеры и хрусталиком (четыре преломляющие поверхности) и ограниченная спереди воздушной средой, сзади – стекловидным телом. Главная оптическая ось ОО проходит через геометрические центры роговицы зрачка и хрусталика. Угол между главной оптической и зрительной осями составляет около 5º.

F₁ H₁ H₂ N₁ N₂ F₂

Основное преломление света происходит на внешней границе роговицы.

f2=22,4

f1=-16,7

0,1-0,2

7,1

7. Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов (наводка на резкость) – называют аккомодацией.

8. Угол зрения – это угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через совпадающие узловые точки.

M

		b=lβ; B=Lβ;   b =

B P

β

K b

L

Для характеристики разрешающей способности глаза используют наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета. Этот угол приблизительно равен 1`.

В медицине разрешающую способность глаза оценивают остротой зрения. За норму остроты зрения принимается единица, в этом случае наименьший угол зрения равен 1`.

9. Оптической системе глаза свойственны некоторые недостатки:

а) отсутствие астигматизма (проявляется в неспособности глаза одинаково резко видеть взаимно перпендикулярные линии на испытательной таблице);

б) близорукость (миопия) – недостаток глаза, состоящий в том, что задний фокус при отсутствии аккомодации лежит впереди сетчатки;

в) дальнозоркость (гиперметропия) – задний фокус при отсутствии аккомодации лежит за сетчаткой.

Для коррекции близорукого глаза применяют рассеивающую линзу, дальнозоркого – собирающую.

10. Лупа – это оптическая система, в передней фокальной плоскости которой или в непосредственной близости от нее расположен наблюдательный предмет.

Увеличением лупы называют отношение угла зрения β', под которым видно изображение предмета, к углу зрения β, под которым виден предмет, находящийся на расстоянии наилучшего зрения а₀=25 см.

Г=β'/β = a₀/f;

11. В современных оптических микроскопах объектив и окуляр состоят из системы линз, представляющих собой оптическую систему.

K B 1 K₁ K¹ 3

F₁ H₁ H¹₁ F¹₁ F₂ H₂ H₂¹ F₂¹ F

Q₁ H A F c H¹ O₂

D

B¹

– фокусное расстояние микроскопа

Увеличение микроскопа равно отношению произведения оптической длины тубуса на расстояние наилучшего зрения к произведению фокусных расстояний объектива и окуляра.

12. При надлежащем выборе f₁ и f₂ увеличение микроскопа будет сколь угодно большим. Предел разрешения – это такое наименьшее расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки различны, т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки.

Разрешающей способностью обычно называют способность микроскопа давать раздельные изображения мелких деталей рассматриваемого предмета.

Аббе установил, что для соответствия вторичного изображения предмету необходимо, по крайней мере, чтобы из первичного изображения проходили дальше лучи центрального и одного из первых главных максимумов.

; ; ,

где А – числовая апертура; n - показатель преломления среды, находящейся между предметом и линзой объектива.

Числовая апертура может быть увеличена с помощью специальной жидкой среды – иммерсии – в пространстве между объективом и покровным стеклом микроскопа.

13. 500 А < Г < 1000 А

Это полезные увеличения, так как при них глаз различает все элементы структуры объекта, которые разрешены микроскопом

при А=1,43 700 < Г < 1400

14. Измерение размеров микроскопических объектов с помощью микроскопа.

Для этого применяют окулярный микрометр.

Микропроекция и микрофотография. Формирование микроскопического изображения происходит с участием человека и завершается образованием действительного изображения в глазу.

Метод фазового контраста. Интенсивность световой волны, проходящей через прозрачный объект, почти не изменяется, но фазы претерпевают изменения, зависящие от толщины объекта и его показателя преломления.

Прозрачные объекты называют дефазирующими.

Ультрамикроскопия. Это метод обнаружения частиц, размеры которых лежат за пределами разрешения микроскопа. В ультрамикроскопах осуществляют боковое (косое) освещение, благодаря чему сублимикроскопические частицы видны как светлые точки на темном фоне.

15. Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопроводам. Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения.

Эндоскоп – пример влияния волоконной оптики на модернизацию существующих медицинских аппаратов.

Волоконный гастроскоп – с его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики.

План и организационная структура занятия

№ п/п	Основные этапы, их функции и содержание	Учебные цели и усвоение	Способы контроля и обучения	Методичес-кое обеспечение	Мин
1.	Подготови-тельный этап
1.1	Организа-ция занятия	Проверка присутствия студентов и их готовности к занятию	Ассистентс-кий журнал	Методичес-кое пособие для преподавате-лей
1.2	Постановка учебных целей	Оглашение темы занятия и ее характеристика; постановка общей и конкретных целей занятия	Устное обозначение актуальности и профессио-нального направления данной темы	Методичес-кое пособие для преподава-телей
1.3	Контроль начального уровня знаний	Проверка начального уровня знаний студентов по данной теме, степени их готовности к восприятию материала занятия, обращение внимания на связь данной темы с ранее изученными (1 уровень)	Устный опрос (по листу контрольных вопросов) выполнение заданий №1-3 пункта 7.1 "Методического пособия для преподавате-лей"	Контрольные вопросы, учебные задания 7.1 (№1-5)
	Основной этап
2.1	Опрос, объяснение основных положений темы	Студент должен усвоить основные положения данной темы, знать основные законы и уравнения, уметь использовать их для объяснения биофизических процессов и принципа работы медицинских аппаратов (уровень 2)	Устный опрос (по листу контрольных вопросов) выполнение заданий №1-5 пункта 7.2 "Методического пособия для преподавате-лей"	Контрольные вопросы, учебные задания 7.2 (№1-5)
2.2	Выполне-ние учебных заданий
	Заключи-тельный этап
3.1	Контроль и коррекция уровня знаний, умений по теме занятия	Студент должен уметь использовать полученные знания для решения типовых и ситуационных задач медико-биологического содержания (уровень 3)	Решение типовых и ситуационных задач №1-5 пункта 7.3 "Методического пособия для преподавате-лей"	Учебные задания 7.3 (№1-5)
3.2	Подведение итогов занятия	Акцентирование основных положений темы и их связи с последующими темами и дисциплинами. Оглашение темы следующего занятия, комментарий преподавателя относительно заданий для самостоятельной работы и рекомендованной литературы	Заполнение ориентировочной карты работы, выполнение заданий №1-5 пункта 7.4 "Методического пособия для преподавате-лей"	Таблица "Межпред-метная интеграция", пункт 3 "Методического пособия для преподавате-лей", учебные задания 7.4 (№1-5), Методичес-кие пособия для студентов, список литературы

Материалы для методического обеспечения занятия

7.1 Заполнить таблицу

Основные понятия	Формула
Связь между фокусным расстоянием и расстоянием от предмета до линзы и от изображения до линзы для центрированной оптической системы
Связь между фокусным расстоянием и показателем преломления среды слева и справа от крайних сферических поверхностей центрированной оптической системы
увеличение лупы
увеличение микроскопа
угловая апертура
числовая апертура

7.2 Материалы методического обеспечения основного этапа занятия

1. Ответить на вопросы:

¨ Имеет ли смысл в формуле для угла зрения не учитывать малость угла?

¨ Каково расстояние между двумя точками предмета, которое не различит глаз, если расстояние до предмета 1 км.

¨ Увеличение для одной и той же лупы для близорукого человека, меньше или больше, чем для дальнозоркого?

¨ Известно, что β - угол, под которым видно изображение предмета,D – угол, под которым виден предмет, f – фокусное расстояние объектива и Г _ок – увеличение окуляра. Найдите расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра.

2. Заполнить таблицу

Физические величины	Формулировка
Радиусы кривизны сферических поверхностей линзы
Показатель преломления
Расстояние от предмета до линзы
Расстояние от линзы до изображения
Фокусное расстояние
Угол зрения
Увеличение
Предел разрешения
Размер изображения

7.3 Материалы контроля для заключительного этапа занятия

Выполнить задания:

¨ Определить фокусное расстояние линзы, если при расстоянии 20 см от линзы до предмета мнимое изображение получается на расстоянии 10 см от линзы

¨ Изображение человека во весь рост на кадре пленки размером 6 см × 6 см удается получить при расстоянии 4 м. Каково фокусное расстояние объектива, если рост человека 1,8 м?

¨ При какой скорости масса тела увеличивается в 2 раза?

7.4 Материалы методического обеспечения самоподготовки студентов:

1. В период подготовки к занятиям использовать следующие методические разработки:

– М.п. практического занятия для студентов "Геометрическая оптика".

2. Заполнить ориентировочную карту действий по форме, представленной в М.п. для студентов "Геометрическая оптика".

3. Выполнить задания:

1. При наблюдении через дифракционную решетку красный край спектра виден на расстоянии 3,5 см от середины щели в экране. Расстояние от дифракционной решетки до экрана – 50 см, период решетки – 10^-2 мм. Определите длину волны красного цвета.

Ответ: ≈7∙10 ^-1 м

2. Лампа находится на расстоянии 2 м от экрана. На каком расстоянии от лампы нужно поставить собирающую линзу с фокусным расстоянием 0,4 м, для того чтобы получить на экране увеличенное изображение лампы?

Ответ: d₁ =0,55 м

3. Расстояние от оптического центра глаза до сетчатки 18,3 мм. Человек пользуется очками с оптической силой +2 дптр для чтения газеты на расстоянии 25 см. На каком расстоянии от глаз он вынужден держать газету для чтения без очков? Оптическая сила нормального глаза 58,5 дптр.

Ответ:d₂=54 см

4. Заполнить таблицу

Методы оптической микроскопии	Суть метода
Измерение размеров микроскопических объектов с помощью микроскопа
Микропроекция и микрофотография
Метод фазового контраста
Ультрамикроскопия

Литература для преподавателя

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, 1987.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, 1982.

3. Лекция "Геометрическая оптика".

4. Дж.Д.Мерион. Общая физика с биологическими примерами, 1986.

5. Ливенцов Н.М. Курс физики для медвузов, 1974.

Литература для студентов

Учебная основная и дополнительная

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, 1987.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, 1982.

3. Лекция "Геометрическая оптика".

4. Дж.Д.Мерион. Общая физика с биологическими примерами, 1986.

Научная

Ливенцов Н.М. Курс физики для медвузов, 1974.

Методическая

1. Методические разработки по разделу: "Геометрическая оптика", кафедра БиоФИМА ОДМУ, Одесса, 2000.

Дата добавления: 2015-10-30