Název: Vlastnosti oka, porovnání s fotoaparátem Autor: Mgr. Petr Majer Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika (Biologie) Tematický celek: Optika Ročník: 5. (3. ročník vyššího gymnázia) Popis - stručná anotace: Žák porovná vlastností oka a fotoaparátu. Popíše princip fotoaparátu a vyrobí dírkovou komoru. Žák provede několik pokusů přibližujících funkci oka. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Výukové materiály Úkol Seznámit se s principem fungování lidského oka a s principem fungování fotoaparátu a porovnat je; vyrobit dírkovou komoru. Pomůcky Tužka, papír, barevné fólie (např. obaly na knížky), krabička, kelímek, pauzovací papír. Teorie Oko má téměř tvar koule. Uvedeme zde pouze ty jeho součásti, které jsou nejpodstatnější pro tvorbu obrazu. Oko se skládá ze tří vrstev. Vnější vrstvu tvoří bělima a rohovka. Rohovka je průhledná a má tvar hodinového sklíčka. Nemá cévy, je naprosto čirá a má lesklý povrch. Je optickým prvkem, který v oku nejvíce láme světlo. Střední vrstvu tvoří cévnatka, která obsahuje vrstvu s velkým množstvím tmavého pigmentu, který pohlcuje nadbytečné světlo dopadající do oka a tak zajišťuje, že uvnitř oka zůstává tma. Zajišťuje tak podmínky k tvorbě zřetelných obrazů na sítnici. Za rohovkou se nachází duhovka, uprostřed níž je otvor - zornička. Duhovka dělí prostor mezi zadní stěnou rohovky a přední stranou čočky na oční komory. Ty jsou vyplněny komorovou tekutinou, sestávající se hlavně z vody. Za duhovkou je průhledná pružná čočka. Vnitřní vrstvu oka tvoří sítnice nacházející se na zadní straně oka. Je pokryta světločivnými buňkami - tyčinkami a čípky. Uprostřed sítnice je žlutá skvrna pokrytá čípky. Ty potřebují ke své činnosti dostatek světla a umožňují barevné vidění. Mimo žlutou skvrnu se nacházejí tyčinky. Ty jsou velmi citlivé na světlo, ale nedokážou rozlišit barvy. Při nižší intenzitě světla používá oko k vnímání tyčinky i čípky. Tím je celkový vjem méně barevný. Při velmi nízké intenzitě světla fungují jen tyčinky a vidíme černobíle.. Vedle žluté skvrny se nachází slepá skvrna, což je místo vyústění zrakového nervu do oka. Nejsou na něm tyčinky ani čípky. Vlastnosti oka: Ohnisková vzdálenost oční čočky činí přibližně 1,6 cm. Z toho vyplývá její optická mohutnost přibližně 62,5 D. Oko se maximálně namáhá při pohledu na krátké vzdálenosti; nejmenší vzdálenost, na kterou ještě oko vidí ostře, je blízký bod. Pro zdravé oko je tato vzdálenost maximálně 25 cm. Největší vzdálenost, při které se pozorovaný předmět zobrazí ostře, je pro zdravé oko nekonečná. Zorný úhel ve vodorovné rovině je asi 140, ve svislé asi 95. Oko má omezenou rozlišovací schopnost, tj. existuje nejmenší zorný úhel, při němž dva body vnímáme odděleně. Oko rozliší dva body, je-li zorný úhel 1. Při
konvenční zrakové vzdálenosti (25 cm) tomu odpovídá vzájemná vzdálenost bodů 0,072 mm. Princip fotoaparátu Konstrukce digitální a filmové zrcadlovky je v zásadě stejná, rozdíl je jen v záznamovém médiu. V klidovém stavu, kdy se neexponuje a funguje hledáček, prochází světlo objektivem, v jehož středu je umístěna clona. Ta je v tomto klidovém stavu otevřená vždy na maximum, aby obraz v hledáčku byl co nejjasnější a aby všechny senzory v těle zrcadlovky měly dostatek světla pro svojí práci. Světlo dopadá na zrcátko, které je skloněné v úhlu 45 a tím odráží světlo vzhůru do hledáčku. Světlo odražené od zrcátka dopadá na matnici, což je průhledná skleněná či plastová destička, na níž se obraz promítne a je tak možné ho sledovat hledáčkem. Obraz vytvořený objektivem je převrácený, a tak je třeba ho pro pozorování v hledáčku opět otočit. To se dělá hranolem umístěným v hledáčku. Čím kvalitnější je hranol, tím jasnější a ostřejší je obraz v hledáčku. Moderní zrcadlovky jsou schopné automatického ostření. Toho se docílí tím, že zrcátko odrážející světlo do hledáčku je polopropustné a tak se jen část světla odrazí do hledáčku a zbytek světla zrcátkem projde. Za hlavním zrcátkem však narazí na druhé, menší zrcátko, které je také skloněné v úhlu 45, ale odráží světlo dolů. Tam jsou umístěny senzory zodpovědné za automatické ostření. Z uvedeného vyplývá, že po celou dobu, kdy je možné sledovat obraz v hledáčku a kdy pracují expoziční i zaostřovací senzory, je hlavní obrazový senzor zakryt jednak zrcátky a zavřenou závěrkou a je tedy zcela slepý. V okamžiku, kdy stiskneme spoušť, se poměry v přístroji změní. Obě zrcátka se sklopí vzhůru, takže přestanou clonit senzor a současně zakryjí hledáček. Clona v objektivu se uzavře na změřenou a nastavenou hodnotu a otevře se závěrka. Světlo tak dopadá na senzor a vytváří snímek. Po nastavené době expozice se závěrka uzavře a expozice snímku skončí. Clona se opět otevře na maximum, aby zajistila co nejjasnější obraz v hledáčku, obě zrcátka se opět sklopí dolů a obraz se opět objeví v hledáčku. Dírková komora Dírková komora, nazývaná také camera obscura (tj. temná komora), je jednoduché optické zobrazovací zařízení ve tvaru uzavřené skříňky, v jejíž jedné stěně je malý otvor. Obraz v dírkové komoře vzniká díky přímočarému šíření světla. Každý bod na povrchu osvětleného předmětu odráží světelné paprsky všemi směry. Určitou část těchto paprsků dírka propustí a ony vytvoří na zadní straně komory (proti otvoru) převrácený obraz předmětu. Obraz vytvořený dírkovou komorou má některé vlastnosti, které u klasické fotografie s objektivem nenajdeme. Protože jde o skutečný středový průmět, mají obrázky v dírkové komoře dokonalé podání perspektivy. Jinou zajímavou vlastností je naprostá hloubka ostrosti, která umožňuje na jednom snímku zachytit stejně ostře zároveň předměty velmi blízké i velmi vzdálené.
Výroba dírkové komory Dírková komora je krabice s malou dírkou na jedné straně. Protější stěna je tvořena průsvitným papírem. Stěny krabice nesmí propouštět světlo. Je možné použít mnoho různých konkrétních technických řešení, například kelímek od jogurtu, jehož vnitřní část nabarvíte černou temperovou barvou smíchanou např. se škrobem či disperzním lepidlem a po zaschnutí upevníte na horní část kelímku gumičkou průsvitný papír. Jinou možností je černá krabička od kinofilmu, do které uděláte špendlíkem dírku a otvor pro víčko zakryjete kouskem průsvitného papíru. Možné je též použít menší papírovou krabička (např. od zápalek), u které odříznete jednu stěnu a nahradíte ji průsvitným papírem. Postup práce 1. Funkce duhovky: jeden student si zakryje jedno oko a druhým se dívá na silný zdroj světla. Potom se oběma očima podívá na spolužáka, který vidí jasný rozdíl ve velikosti obou duhovek. 2. Slepá skvrna: na papír nakreslete tužkou dva malé tmavé kroužky vzdálené 10 cm od sebe. Zakryjeme si levé oko dlaní a pravým okem sledujeme pouze levý kroužek. Papír přitom posunujte do různé vzdálenosti od oka. Ve vzdálenosti kolem 30 cm náhle pravý kroužek zmizí. 3. Prostorové vidění: na papír nakreslete malý kroužek a položte ho na stůl, alespoň 50 cm daleko. Chvíli se dívejte jinam, pak vezměte tužku, zavřete jedno oko a snažte se jedním plynulým pohybem ruky trefit tužkou do kroužku. 4. Únava čípků: sledujte dobře osvětlenou bílou plochu přes barevnou fólii. Následně fólii odložíme a sledujeme dál stěnu. Ještě lépe je jev pozorovatelný, díváme-li se nejdříve například na obarvenou žárovku a potom na stěnu. 5. Vysvětlete výše pozorované jevy. 6. Porovnejte vlastnosti lidského oka s vybraným fotoaparátem. 7. Vyrobte dírkovou komoru. Popište jaký obraz vzniká na stínítku. Literatura D. Halliday, R. Resnick, J. Walker Fyzika, Vysoké učení technické v Brně Nakladatelství PROMETHEUS Praha, 2000
Pracovní list žáka Vlastnosti oka, porovnání s fotoaparátem Laboratorní práce č.: Třída, školní rok: Vypracoval: Spolupracovali: Úkol Seznámit se s principem fungování lidského oka a s principem fungování fotoaparátu a porovnat je; vyrobit dírkovou komoru. Pomůcky Tužka, papír, barevné fólie (např. obaly na knížky), krabička, kelímek, pauzovací papír. Teorie Oko má téměř tvar koule. Uvedeme zde pouze ty jeho součásti, které jsou nejpodstatnější pro tvorbu obrazu. Oko se skládá ze tří vrstev. Vnější vrstvu tvoří bělima a rohovka. Rohovka je průhledná a má tvar hodinového sklíčka. Nemá cévy, je naprosto čirá a má lesklý povrch. Je optickým prvkem, který v oku nejvíce láme světlo. Střední vrstvu tvoří cévnatka, která obsahuje vrstvu s velkým množstvím tmavého pigmentu, který pohlcuje nadbytečné světlo dopadající do oka a tak zajišťuje, že uvnitř oka zůstává tma. Zajišťuje tak podmínky k tvorbě zřetelných obrazů na sítnici. Za rohovkou se nachází duhovka, uprostřed níž je otvor - zornička. Duhovka dělí prostor mezi zadní stěnou rohovky a přední stranou čočky na oční komory. Ty jsou vyplněny komorovou tekutinou, sestávající se hlavně z vody. Za duhovkou je průhledná pružná čočka. Vnitřní vrstvu oka tvoří sítnice nacházející se na zadní straně oka. Je pokryta světločivnými buňkami - tyčinkami a čípky. Uprostřed sítnice je žlutá skvrna pokrytá čípky. Ty potřebují ke své činnosti dostatek světla a umožňují barevné vidění. Mimo žlutou skvrnu se nacházejí tyčinky. Ty jsou velmi citlivé na světlo, ale nedokážou rozlišit barvy. Při nižší intenzitě světla používá oko k vnímání tyčinky i čípky. Tím je celkový vjem méně barevný. Při velmi nízké intenzitě světla fungují jen tyčinky a vidíme černobíle.. Vedle žluté skvrny se nachází slepá skvrna, což je místo vyústění zrakového nervu do oka. Nejsou na něm tyčinky ani čípky. Vlastnosti oka: Ohnisková vzdálenost oční čočky činí přibližně 1,6 cm. Z toho vyplývá její optická mohutnost přibližně 62,5 D. Oko se maximálně namáhá při pohledu na krátké vzdálenosti; nejmenší vzdálenost, na kterou ještě oko vidí ostře, je blízký bod. Pro zdravé oko je tato vzdálenost maximálně 25 cm.
Největší vzdálenost, při které se pozorovaný předmět zobrazí ostře, je pro zdravé oko nekonečná. Zorný úhel ve vodorovné rovině je asi 140, ve svislé asi 95. Oko má omezenou rozlišovací schopnost, tj. existuje nejmenší zorný úhel, při němž dva body vnímáme odděleně. Oko rozliší dva body, je-li zorný úhel 1. Při konvenční zrakové vzdálenosti (25 cm) tomu odpovídá vzájemná vzdálenost bodů 0,072 mm. Princip fotoaparátu Konstrukce digitální a filmové zrcadlovky je v zásadě stejná, rozdíl je jen v záznamovém médiu. V klidovém stavu, kdy se neexponuje a funguje hledáček, prochází světlo objektivem, v jehož středu je umístěna clona. Ta je v tomto klidovém stavu otevřená vždy na maximum, aby obraz v hledáčku byl co nejjasnější a aby všechny senzory v těle zrcadlovky měly dostatek světla pro svojí práci. Světlo dopadá na zrcátko, které je skloněné v úhlu 45 a tím odráží světlo vzhůru do hledáčku. Světlo odražené od zrcátka dopadá na matnici, což je průhledná skleněná či plastová destička, na níž se obraz promítne a je tak možné ho sledovat hledáčkem. Obraz vytvořený objektivem je převrácený, a tak je třeba ho pro pozorování v hledáčku opět otočit. To se dělá hranolem umístěným v hledáčku. Čím kvalitnější je hranol, tím jasnější a ostřejší je obraz v hledáčku. Moderní zrcadlovky jsou schopné automatického ostření. Toho se docílí tím, že zrcátko odrážející světlo do hledáčku je polopropustné a tak se jen část světla odrazí do hledáčku a zbytek světla zrcátkem projde. Za hlavním zrcátkem však narazí na druhé, menší zrcátko, které je také skloněné v úhlu 45, ale odráží světlo dolů. Tam jsou umístěny senzory zodpovědné za automatické ostření. Z uvedeného vyplývá, že po celou dobu, kdy je možné sledovat obraz v hledáčku a kdy pracují expoziční i zaostřovací senzory, je hlavní obrazový senzor zakryt jednak zrcátky a zavřenou závěrkou a je tedy zcela slepý. V okamžiku, kdy stiskneme spoušť, se poměry v přístroji změní. Obě zrcátka se sklopí vzhůru, takže přestanou clonit senzor a současně zakryjí hledáček. Clona v objektivu se uzavře na změřenou a nastavenou hodnotu a otevře se závěrka. Světlo tak dopadá na senzor a vytváří snímek. Po nastavené době expozice se závěrka uzavře a expozice snímku skončí. Clona se opět otevře na maximum, aby zajistila co nejjasnější obraz v hledáčku, obě zrcátka se opět sklopí dolů a obraz se opět objeví v hledáčku. Dírková komora Dírková komora, nazývaná také camera obscura (tj. temná komora), je jednoduché optické zobrazovací zařízení ve tvaru uzavřené skříňky, v jejíž jedné stěně je malý otvor. Obraz v dírkové komoře vzniká díky přímočarému šíření světla. Každý bod na povrchu osvětleného předmětu odráží světelné paprsky všemi směry. Určitou část těchto paprsků dírka propustí a ony vytvoří na zadní straně komory (proti otvoru) převrácený obraz předmětu.
Obraz vytvořený dírkovou komorou má některé vlastnosti, které u klasické fotografie s objektivem nenajdeme. Protože jde o skutečný středový průmět, mají obrázky v dírkové komoře dokonalé podání perspektivy. Jinou zajímavou vlastností je naprostá hloubka ostrosti, která umožňuje na jednom snímku zachytit stejně ostře zároveň předměty velmi blízké i velmi vzdálené. Výroba dírkové komory Dírková komora je krabice s malou dírkou na jedné straně. Protější stěna je tvořena průsvitným papírem. Stěny krabice nesmí propouštět světlo. Je možné použít mnoho různých konkrétních technických řešení, například kelímek od jogurtu, jehož vnitřní část nabarvíte černou temperovou barvou smíchanou např. se škrobem či disperzním lepidlem a po zaschnutí upevníte na horní část kelímku gumičkou průsvitný papír. Jinou možností je černá krabička od kinofilmu, do které uděláte špendlíkem dírku a otvor pro víčko zakryjete kouskem průsvitného papíru. Možné je též použít menší papírovou krabička (např. od zápalek), u které odříznete jednu stěnu a nahradíte ji průsvitným papírem. Postup práce Závěr 1. Funkce duhovky: jeden student si zakryje jedno oko a druhým se dívá na silný zdroj světla. Potom se oběma očima podívá na spolužáka, který vidí jasný rozdíl ve velikosti obou duhovek. 2. Slepá skvrna: na papír nakreslete tužkou dva malé tmavé kroužky vzdálené 10 cm od sebe. Zakryjeme si levé oko dlaní a pravým okem sledujeme pouze levý kroužek. Papír přitom posunujte do různé vzdálenosti od oka. Ve vzdálenosti kolem 30 cm náhle pravý kroužek zmizí. 3. Prostorové vidění: na papír nakreslete malý kroužek a položte ho na stůl, alespoň 50 cm daleko. Chvíli se dívejte jinam, pak vezměte tužku, zavřete jedno oko a snažte se jedním plynulým pohybem ruky trefit tužkou do kroužku. 4. Únava čípků: sledujte dobře osvětlenou bílou plochu přes barevnou fólii. Následně fólii odložíme a sledujeme dál stěnu. Ještě lépe je jev pozorovatelný, díváme-li se nejdříve například na obarvenou žárovku a potom na stěnu. 5. Vysvětlete výše pozorované jevy. 6. Porovnejte vlastnosti lidského oka s vybraným fotoaparátem. 7. Vyrobte dírkovou komoru. Popište jaký obraz vzniká na stínítku.