Optické prístroje a oko Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Oko ako optická sústava — Ľudské oko funguje podobne ako fotoaparát: svetlo vstupuje cez zrenicu, láme sa na šošovke a vytvára obraz na sietnici v zadnej časti oka. Obraz na sietnici je zmenšený, prevrátený a skutočný, no mozog ho vyhodnotí tak, že svet vnímame správne otočený. Oko je dôležité preto, že väčšinu informácií o okolí získavame práve zrakom.

2. Šošovka oka a akomodácia — Šošovka v oku je pružná a dokáže meniť svoju zakrivenie pomocou drobných svalov, čím mení svoju optickú mohutnosť. Tomuto prispôsobovaniu sa na rôzne vzdialenosti hovoríme akomodácia — pri pohľade do diaľky sa šošovka splošťuje, pri pohľade nablízko sa vyklenuje. Vďaka akomodácii vidíme ostro predmety blízke aj vzdialené.

3. Sietnica, čapíky a tyčinky — Sietnica je svetlocitlivá vrstva na zadnej stene oka, kde vzniká obraz. Obsahuje dva druhy zrakových buniek: tyčinky, ktoré sú citlivé na množstvo svetla a umožňujú vidieť za šera (čiernobielo), a čapíky, ktoré rozlišujú farby a fungujú za dobrého osvetlenia. Práve preto v tme vnímame svet skôr v odtieňoch sivej.

4. Zrenica a dúhovka — Dúhovka je farebná časť oka a uprostred má otvor — zrenicu, cez ktorú vstupuje svetlo. Dúhovka funguje ako clona: pri silnom svetle sa zrenica zužuje, pri slabom svetle sa rozširuje, aby do oka vošlo viac svetla. Tým chráni oko a zároveň reguluje množstvo svetla dopadajúce na sietnicu.

5. Krátkozrakosť (myopia) — Krátkozraký človek vidí dobre predmety zblízka, ale vzdialené predmety sú rozmazané, pretože obraz vzniká pred sietnicou. Príčinou býva príliš dlhé oko alebo príliš silná šošovka. Krátkozrakosť sa napráva rozptylkou (okuliarmi „mínus", ktoré rozptyľujú lúče), ktorá obraz posunie presne na sietnicu.

6. Ďalekozrakosť (hypermetropia) — Ďalekozraký človek vidí lepšie do diaľky, no blízke predmety sú neostré, lebo obraz by vznikol až za sietnicou. Tento chyba sa opravuje spojkou (okuliarmi „plus"), ktorá svetelné lúče viac zbieha. Pochopenie týchto chýb je dôležité, lebo mnoho ľudí nosí okuliare alebo kontaktné šošovky práve z týchto dôvodov.

7. Lupa — Lupa je jednoduchá spojná šošovka (spojka), ktorá vytvára zväčšený, priamy a neskutočný obraz blízkeho predmetu. Predmet musíme umiestniť bližšie, než je ohnisková vzdialenosť šošovky, aby sme videli väčší obraz. Lupa nám pomáha vidieť drobné detaily, napríklad pri čítaní malého písma alebo skúmaní malých predmetov.

8. Mikroskop — Mikroskop slúži na pozorovanie veľmi malých predmetov, ktoré voľným okom nevidíme, napríklad buniek. Skladá sa z dvoch sústav šošoviek — objektívu (bližšie k predmetu) a okuláru (bližšie k oku) — ktoré zväčšenie znásobujú. Vďaka mikroskopu mohli vedci objaviť svet buniek a mikroorganizmov, čo zmenilo biológiu aj medicínu.

9. Ďalekohľad (teleskop) — Ďalekohľad približuje vzdialené predmety, takže vyzerajú väčšie a bližšie, ako v skutočnosti sú. Tiež využíva objektív a okulár; rozlišujeme šošovkové (refraktory) a zrkadlové (reflektory) ďalekohľady. Ďalekohľady umožnili napríklad Galileovi Galileimu pozorovať mesiace Jupitera a posunuli naše poznanie vesmíru.

10. Fotoaparát — Fotoaparát je optický prístroj, ktorý funguje podobne ako oko: šošovka vytvára zmenšený, prevrátený a skutočný obraz na svetlocitlivom snímači alebo filme. Clona reguluje množstvo svetla (ako zrenica) a zaostrovaním sa mení vzdialenosť šošovky (obdoba akomodácie). Práve podobnosť oka a fotoaparátu pomáha lepšie pochopiť, ako vzniká obraz.

11. Ohnisko a ohnisková vzdialenosť — Ohnisko je bod, v ktorom sa po prechode spojnou šošovkou zbiehajú lúče pôvodne rovnobežné s optickou osou. Vzdialenosť ohniska od šošovky sa nazýva ohnisková vzdialenosť a označuje sa f (v metroch). Čím je šošovka „silnejšia", tým má kratšiu ohniskovú vzdialenosť — táto veličina rozhoduje o tom, ako prístroj zväčšuje či zaostruje.

12. Optická mohutnosť — Optická mohutnosť φ udáva, ako silno šošovka láme svetlo, a vypočíta sa ako prevrátená hodnota ohniskovej vzdialenosti: φ = 1/f. Jej jednotkou je dioptria (D), pričom platí 1 D = 1/m. Práve v dioptriách sa udáva sila okuliarov — spojky majú kladnú a rozptylky zápornú hodnotu, čo priamo súvisí s nápravou chýb oka.

1. Poučka

Optické prístroje sú zariadenia, ktoré pomocou šošoviek (prípadne zrkadiel) menia smer svetelných lúčov, a tak vytvárajú obraz predmetu. Slúžia na to, aby sme videli predmety väčšie, ostrejšie alebo bližšie. Ľudské oko je tiež optický prístroj — funguje ako spojná šošovka, ktorá vytvára na sietnici skutočný, zmenšený a prevrátený obraz.

2. Vysvetlenie

• Svetlo a šošovky: Spojná šošovka (vypuklá) lúče zbieha do jedného bodu — ohniska. Vzdialenosť od stredu šošovky po ohnisko je ohnisková vzdialenosť f. Rozptylka (dutá) lúče rozbieha.
• Ako vzniká obraz v oku: Svetlo vchádza cez rohovku, prechádza zreničkou (otvor, ktorý sa zužuje a rozširuje), potom cez šošovku a dopadá na sietnicu vzadu v oku. Tu vznikne obraz a zrakový nerv posiela informáciu do mozgu.
• Akomodácia: Očná šošovka mení svoj tvar (zakrivenie), aby sme ostro videli blízke aj vzdialené predmety. Keď pozeráme nablízko, šošovka sa vyklenie; nadiaľku sa sploští.
• Lupa: Je to jedna spojná šošovka. Keď predmet umiestnime bližšie ako ohnisko, vidíme jeho zväčšený, priamy (neprevrátený) zdanlivý obraz.
• Skladanie prístrojov: Mikroskop a ďalekohľad používajú dve šošovky za sebou, aby zväčšenie bolo oveľa väčšie ako pri jednej lupe.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — okuliare ďalekozrakého: Ďalekozraký človek má okuliare so spojkami s ohniskovou vzdialenosťou f = 0,5 m. Aká je ich optická mohutnosť?
φ = 1 / f
φ = 1 / 0,5 m = 2 D (kladná, spojka)

Príklad 2 — okuliare krátkozrakého: Na recepte je napísané −2 D. Aká je ohnisková vzdialenosť šošovky a aká je to šošovka?
f = 1 / φ = 1 / (−2) = −0,5 m
Záporná hodnota znamená rozptylku.
→ ohnisková vzdialenosť 50 cm, šošovka je rozptylka

Príklad 3 — cesta svetla okom: Zoraď časti oka tak, ako nimi prechádza svetlo: sietnica, rohovka, šošovka, zrenica.
Svetlo najprv prejde priehľadnou rohovkou, potom otvorom v dúhovke (zrenicou), potom ho láme šošovka a nakoniec dopadne na sietnicu.
→ poradie: rohovka, zrenica, šošovka, sietnica

Príklad 4 — akomodácia (prax): Čítaš knihu a potom sa pozrieš z okna na vzdialený kopec. Čo urobí očná šošovka?
Pri pohľade nablízko je šošovka vyklenutá.
Pri pohľade do diaľky sa sploští, aby obraz ostal ostrý na sietnici.
→ pri pohľade na kopec sa šošovka sploští

Príklad 5 — lupa: Lupa má ohniskovú vzdialenosť 10 cm. Kam dáš známku, aby si videl jej zväčšený a vzpriamený obraz?
Zväčšený vzpriamený obraz vznikne, keď je predmet bližšie k lupe ako ohnisko.
→ známku dáš bližšie ako 10 cm od lupy

Príklad 6 — zväčšenie mikroskopu: Objektív mikroskopu zväčšuje 10-krát, okulár 15-krát. Aké je celkové zväčšenie?
Dve sústavy šošoviek zväčšenie znásobia.
Z = 10 · 15 = 150-krát

Prečo je to dôležité: Optické prístroje rozširujú možnosti nášho zraku — vidíme to, čo je príliš malé, príliš ďaleko alebo príliš slabo osvetlené. Pochopenie oka nám zároveň pomáha chrániť si zrak a rozumieť, prečo niekto potrebuje okuliare.

Precvič si

1. Šošovka má ohniskovú vzdialenosť 0,25 m. Aká je jej optická mohutnosť?
2. Okuliare majú +2,5 D. Aká je ohnisková vzdialenosť šošoviek? Je to spojka, alebo rozptylka?
3. Ktorá časť oka mení veľkosť zrenice podľa množstva svetla?
4. Krátkozraký žiak vidí tabuľu rozmazane. Kde mu vzniká obraz a aké okuliare potrebuje?
5. Objektív mikroskopu zväčšuje 40-krát a okulár 10-krát. Aké je celkové zväčšenie?
6. Bunka má veľkosť 0,02 mm. Aká veľká sa zdá pod mikroskopom so zväčšením 400-krát?