Das Auge

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Optik46 OptikDas Auge1. Die Optik des menschlichen AugesDu kennst den Aufbau des menschlichen Auges aus dem Biologieunterricht.à Bild 1 zeigt die wichtigsten Bestandteile in vereinfachterForm. Aus physikalischer Sicht ist das Auge vergleichbarmit einem Fotoapparat à Tabelle 1):B1:Schnitt durch das menschliche AugeFotoapparatObjektivlinseFilmBlendenöffnungEntfernungseinstellungAugeLinse in Verbindungmit Hornhaut,Augenflüssigkeitund Glaskörper)NetzhautPupilleAkkommodationT1:Vergleich Fotoapparat ± AugeDas Licht durchdringt beim Eintritt ins Auge die Hornhaut, dieAugenflüssigkeit, dieLinse und den Glaskörper. Diese vier Bestandteilebilden das optische System des Auges. Sie wirken zusammenwie eine Objektivlinse:Parallele Strahlen werden so gebrochen, dass sie sich rund23 mm hinter der Hornhaut in einem Punkt treffen. Dort liegtdie Netzhaut. Auf ihr entsteht so das optische Bild des Gegenstandes.Die Netzhaut enthält eine groûe Anzahl feinster, lichtempfindlicherElemente. Über viele Verästelungen sind sie mitdem Sehnerv verbunden, der zum Gehirn führt.Die Iris ist eine farbige Haut mit einer kreisrunden Öffnung: derPupille. Die Öffnung kann mit einem Muskel verkleinert werden.Die Iris wirkt damit wie eine Blende. Das Gehirn steuertmit ihr die Lichtmenge, die in 1 s auf die Netzhaut fällt.Bei einer Abbildung mit starren Linsen verändert sich die Bildweitemit der Gegenstandsweite. Rückt der betrachtete Gegenstandnäher an das Auge, so müsste sich die Netzhaut weiter vonder Augenlinse entfernen ± das entspräche dem Fotoapparat.V1:Wir erläutern den Sehvorgang an einem¹Modellaugeª: a) Eine Sammellinse derBrennweite 15 cm soll das optische SystemHornhaut, Augenflüssigkeit, Linseund Glaskörper)ersetzen, ein gewöhnlicherSchirm die Netzhaut. Eine Kerzewird in groûer Entfernung etwa 4 m)vordas Modellauge gestellt. Auf dem Schirmin der Brennebene erkennen wir ein scharfesBild der Flamme: Unser Modellaugeblickt entspannt in die Ferne. b) Wir schiebennun die Kerze bis auf 30 cm an dieLinse heran, das Bild auf dem Schirmwird unscharf. Wir ersetzen die Sammellinsedurch eine dickere mit der Brennweite10 cm und erhalten wieder ein scharfesBild, ohne den Schirm zu verschieben.Dies geht aber beim Auge nicht, denn der Abstand Linse±Netzhautist durch die Augengröûe fest vorgegeben. Inà Versuch 1 btauschen wir die Linse aus, um bei veränderter Gegenstandsweitewieder ein scharfes Bild zu erhalten. Beim richtigen Auge ist einLinsentausch nicht möglich und auch nicht nötig. Die Augenlinsebesteht nämlich aus einem elastischen Stoff. Sie will sich stets vonselbst zusammenziehen. Dem wirken die Aufhängefasern entgegen,die sie flach ziehen, gesteuert vom Ziliarmuskel. Bei nahenGegenständen erlaubt er der Linse, sich so zu wölben, also dieBrennweite so zu ändern, dass auf der Netzhaut ein scharfesBild entsteht. Bei weiter entfernten Gegenständen ist der Ziliarmuskelentspannt, die Linse flach. Die Brennweite ist gröûer, sodassdas Bild auf der Netzhaut wieder scharf ist à Versuch 1 a).Die Augenlinse ist eine Linse mit variabler Brennweite.Dieser Anpassungsvorgang heiût Akkommodation. Er läuft,vom Gehirn gesteuert, aber unbewusst ab.Das Auge kann nicht in jede beliebige Nähe akkommodieren.Bei einem Abstand zum Gegenstand von 10 cm, dem so genanntenNahpunkt, ist die Grenze erreicht. So nahe Gegenstände zubetrachten ist sehr anstrengend, man ermüdet dabei rasch.Ohne Anstrengung kann man Gegenstände in einer Entfernungvon etwa 25 cm betrachten.


Das Auge Das Auge 472. Wenn man näher 'ran geht,sieht man mehrà Versuch 2 zeigt, dass das Sehvermögen des menschlichen AugesGrenzen hat. Eine der Ursachen liegt im Aufbau der Netzhaut:Die Sehzellen sind auf ihr mosaikartig verteilt. Das Augekann nicht mehr Bildpunkte verarbeiten als Sehzellen vom Bildgetroffen werden. Zwei Gegenstandspunkte werden nur danngetrennt wahrgenommen, wenn ihre Bildpunkte auf Sehzellenfallen, zwischen denen eine andere liegt. Treffen zwei Lichtstrahlenunter einem Sehwinkel von weniger als 1 Grad ins Auge,60so erfüllen sie diese Bedingung nicht mehr. Man sagt: Das Auflösungsvermögendes Auges liegt bei einem Sehwinkel von1Grad.60In à Bild 2 ist das optische Bild auf der Netzhaut konstruiert.Wir erkennen sofort, dass dieses Bild umso gröûer wird, je näherder Gegenstand ans Auge rückt. Beim richtigen Auge ist dieNetzhaut zwar gekrümmt, doch am Prinzip der Abbildung ändertsich dadurch nichts. Ein gröûeres Netzhautbild bedeutet,dass mehr Sehzellen gereizt und so mehr Einzelheiten erkanntwerden. Dabei wächst der Sehwinkel im Bild a genannt), dendie beiden Mittelpunktsstrahlen bilden, nach à Bild 2 mit derGröûe des Bildes auf der Netzhaut.V2:Die beiden schwarzen Punkte sind engnebeneinander gedruckt. Aus groûerEntfernung etwa 10 m)betrachtet gewinnstdu den Eindruck, dass es sich aufdem Foto um lediglich einen einzigenschwarzen Fleck handelt.B2:Sehwinkel und NetzhautbildMerksatzJe näher ein Gegenstand dem Auge rückt, desto gröûer werdender Sehwinkel und das Netzhautbild und desto gröûer erscheintdann auch der Gegenstand. Man erkennt dann mehr Einzelheiten.3. Wozu braucht man eine Brille?Die häufigsten Augenfehler sind Kurzsichtigkeit und Übersichtigkeit.Beim kurzsichtigen Auge liegt die Netzhaut nicht in der Brennebene,sondern etwas dahinter. Auf der Netzhaut ist deshalbdas Bild ferner Gegenstände unscharf. Nahe Gegenstände kanndas Auge dagegen scharf sehen. à Bild 3a zeigt, wie eine Brilleden Mangel beseitigt. Das parallele Lichtbündel, das von einemweit entfernten Gegenstand kommt, wird durch die Brille etwasaufgeweitet, sodass das Auge das Bündel hinter der eigentlichenBrennebene genau auf der Netzhaut bündelt. Brillengläser mitdieser Eigenschaft heiûen Zerstreuungslinsen. Das vormals verschwommeneBild erscheint jetzt scharf.Beim Übersichtigen liegt die Netzhaut vor der Brennebene. DerZiliarmuskel muss also zum Blick in die Ferne bereits etwas angespanntwerden, was ohne weiteres möglich ist. Bei nahen Gegenständenkann die Linse aber nicht genügend gewölbt werden,das Bild erscheint verschwommen. Abhilfe schafft eine Brille mitgeeigneten Sammellinsen à Bild 3b); sie verkürzen insgesamtdie Brennweite und unterstützen die Augenlinsen bei der Lichtbündelung.B3:Kurzsichtiges und übersichtiges Auge... noch mehr AufgabenA1: Mit zunehmendem Alter verringertsich die Elastizität der Linse, der Nahpunktentfernt sich. Welche Art von Brillehilft, nahe Gegenstände scharf zu sehen?Erkläre dies.A2: Erkläre die Wirkung der Zerstreuungslinsedurch Zerlegen in Prismen.

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