Номер 37.5, страница 258 - гдз по физике 10-11 класс задачник Гельфгат, Генденштейн

Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны. 37. Геометрическая оптика. Упражнения - номер 37.5, страница 258.

Условие.

37.5. Почему, открывая глаза под водой, мы видим размытые очертания предметов? Почему маска для подводного плавания позволяет отчетливо видеть под водой?

Решение. Преломление света в оптической системе глаза происходит в основном на внешней поверхности роговицы. В воде это преломление резко ослабляется, потому что показатели преломления воды и роговицы почти равны друг другу. В результате глаз становится настолько «дальнозорким», что даже при максимальной деформации хрусталика не удается сфокусировать изображение на сетчатке. При наличии же маски роговица граничит не с водой, а с воздухом внутри маски. А прохождение света сквозь плоское стекло маски практически не влияет на четкость изображения (вспомните, как четко видны рыбы через стенку аквариума).

Решение.

Почему, открывая глаза под водой, мы видим размытые очертания предметов?

Решение

Человеческий глаз является сложной оптической системой, приспособленной для функционирования в воздушной среде. Основная преломляющая сила глаза (около 70%) сосредоточена на внешней поверхности роговицы, на границе раздела «воздух-роговица». Это сильное преломление света возможно благодаря существенной разнице в показателях преломления воздуха ($n_{воздуха} \approx 1.00$) и роговицы ($n_{роговицы} \approx 1.376$).

Когда глаз оказывается в воде, внешней средой становится вода, чей показатель преломления ($n_{воды} \approx 1.33$) очень близок к показателю преломления роговицы. Из-за этого разница показателей преломления на границе «вода-роговица» становится минимальной, и преломляющая способность роговицы резко падает. Оптическая система глаза практически лишается своей самой сильной линзы.

В результате фокусное расстояние всей оптической системы глаза значительно увеличивается, и изображение формируется далеко за сетчаткой. Даже максимальное напряжение аккомодационной мышцы и изменение кривизны хрусталика не могут скомпенсировать такую большую потерю оптической силы. Это состояние аналогично очень сильной дальнозоркости, поэтому все предметы под водой видятся расплывчатыми и нечеткими.

Ответ: Под водой мы видим размытые очертания предметов, так как из-за почти одинаковых показателей преломления воды и роговицы глаза свет на их границе практически не преломляется. Это приводит к резкому снижению оптической силы глаза, который больше не может сфокусировать четкое изображение на сетчатке.

Почему маска для подводного плавания позволяет отчетливо видеть под водой?

Решение

Маска для подводного плавания решает вышеописанную проблему, создавая перед глазами воздушную прослойку. Благодаря этому роговица глаза снова контактирует не с водой, а с воздухом.

В таких условиях восстанавливается граница раздела сред «воздух-роговица» со значительной разницей показателей преломления ($n_{роговицы} - n_{воздуха} \approx 0.376$). Роговица возвращает себе свою сильную преломляющую способность, и вся оптическая система глаза начинает работать в штатном режиме, как на суше.

Свет от наблюдаемых объектов проходит из воды через плоское стекло маски в воздушное пространство и затем попадает в глаз. Прохождение света через плоскую стеклянную пластину маски не вызывает размытия изображения, а лишь приводит к оптическому эффекту, из-за которого предметы кажутся примерно на 25% ближе и крупнее своих реальных размеров. Однако четкость изображения сохраняется, и глаз может сфокусировать его на сетчатке.

Ответ: Маска для подводного плавания позволяет видеть четко, поскольку создает воздушный слой между водой и глазами. Это восстанавливает нормальные условия работы роговицы, которая снова граничит с воздухом, обеспечивая сильное преломление света, необходимое для фокусировки изображения на сетчатке.