眼球折光成像時(shí)晶狀體調(diào)節(jié)的模型制作

蔣晶晶

摘要：眼睛是身體中的一個(gè)非常重要的視覺器官，其中折光成像原理應(yīng)用了物理中的光學(xué)原理，折光成像主要的結(jié)構(gòu)是晶狀體。眼睛能通過睫狀肌的收縮和舒張來調(diào)節(jié)晶狀體的表面曲率，從而調(diào)節(jié)折光強(qiáng)度，確保成像在視網(wǎng)膜上清晰。這種調(diào)節(jié)過程在教學(xué)中一直是重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。為在教學(xué)過程中學(xué)生更直觀理解掌握相關(guān)知識(shí)，我們小組應(yīng)用物理及生物的知識(shí)，制作眼睛晶狀是如何調(diào)節(jié)以確保清晰成像的模型，希望能夠給教學(xué)帶來啟迪和幫助。

關(guān)鍵詞：眼睛；晶狀體；光學(xué)成像；模型制作

眼睛視物的基本原理是物體發(fā)出或反射的光線進(jìn)入眼內(nèi)，經(jīng)過眼內(nèi)相關(guān)結(jié)構(gòu)—最主要是晶狀體的折射后，成像在視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞和神經(jīng)元將光能轉(zhuǎn)化為生物電沖動(dòng)傳到腦，引起視覺。要視清物體，在視網(wǎng)膜上成像清晰是關(guān)鍵，如若成像不清，將引起視物不清。距眼睛不同距離的物體發(fā)出或反射的光線進(jìn)入眼內(nèi)的角度不同，要求晶狀體折射光線的強(qiáng)度也不同，只有這樣才能保證在視網(wǎng)膜上成像清晰。經(jīng)過長期的進(jìn)化，動(dòng)物和人類的眼睛形成了一套全自動(dòng)高效的調(diào)節(jié)機(jī)制，確保不同距離的物體都能清晰成像在視網(wǎng)膜上。而這種調(diào)節(jié)機(jī)理從中學(xué)到大學(xué)，都是視覺機(jī)理要學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。我們的項(xiàng)目是就晶狀體的調(diào)節(jié)做了一個(gè)模型，以利用其在教學(xué)中幫助學(xué)生掌握晶狀體調(diào)節(jié)的過程。

1.眼球的基本結(jié)構(gòu)

眼睛的主要結(jié)構(gòu)是眼球，眼球包括眼球壁和內(nèi)容物。眼球壁內(nèi)由外層、中層和內(nèi)層構(gòu)成，其中中層有睫狀肌，能調(diào)節(jié)晶狀體的曲率，從而調(diào)節(jié)折光強(qiáng)度。內(nèi)膜就是視網(wǎng)膜，成像后的能量轉(zhuǎn)換及相關(guān)沖動(dòng)傳遞到大腦有關(guān)。內(nèi)容物是主要的光折射成像結(jié)構(gòu)，其中最主要是是晶狀體。

晶狀體（lens）是一個(gè)雙凸透鏡狀的富于彈性的透明體。位于虹膜、瞳孔之后，玻璃體之前，借晶狀體懸韌帶與睫狀體聯(lián)系。晶狀體后表面的凸度大于前表面，是重要的屈光間質(zhì)之一。后表面中央叫后極，前表面中央叫前極，顯露于瞳孔中央。前后兩面交界處叫赤道。成人晶狀體直徑約9～10mm ，厚約4～5mm。

晶狀體懸韌帶又稱睫狀小帶，由一系列無彈性的堅(jiān)韌纖維組成。從視網(wǎng)膜邊緣、睫狀體到達(dá)晶狀體赤道部附近，將晶狀體懸掛在生理位置上，同時(shí)協(xié)助睫狀肌作用于晶狀體而起到調(diào)節(jié)作用。

2.眼成像原理

任何光都由以電磁波形式在空間傳播的一個(gè)或者多個(gè)光子匯聚而成。人眼看到的景物是光源或者光源發(fā)出的光從物體上反射而成的光，人眼吸收這些光子并在腦子里成像就是你看到的景物了。有很多種方式產(chǎn)生光源，但所有這些方式都是利用原子激發(fā)的原理，當(dāng)原子受到激發(fā)，其電子移至更高的軌道，每當(dāng)電子從更高的軌道返回正常軌道時(shí)，就產(chǎn)生了光子。加熱是激發(fā)原子的一種方法，比如白熾燈，通過電流對(duì)燈絲加熱，來激發(fā)燈絲里面的原子；還有你看到鐵在很熱的時(shí)候是紅色的，這個(gè)是鐵原子的激發(fā)。光子照射到物體表面后，可能會(huì)被吸收、反射、折射或者散射，這都和物體的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，不做深入分析。

眼睛成像是透鏡成像規(guī)律的重要應(yīng)用。照相機(jī)與眼睛有相似的結(jié)構(gòu)，眼球中的角膜和晶狀體的共同作用，相當(dāng)于一個(gè)“凸透鏡”，視網(wǎng)膜相當(dāng)于照相機(jī)的底片。眼睛能通過神經(jīng)反射性調(diào)節(jié)，確保不同距離物體均能清晰成像在視網(wǎng)膜上，這種調(diào)節(jié)最后主要是通過調(diào)節(jié)晶狀體的曲率，也即折光強(qiáng)度來完成。從物體發(fā)出的光線經(jīng)過人眼的凸透鏡在視網(wǎng)膜上形成倒立、縮小的實(shí)像，分布在視網(wǎng)膜上的視神經(jīng)細(xì)胞受到光的刺激，把這個(gè)信號(hào)傳輸給大腦，經(jīng)過處理使人可以看到這個(gè)物正像的了。

3.眼球晶狀體調(diào)節(jié)模型制作

考慮到晶狀體的調(diào)節(jié)作用，也為了便于觀察其調(diào)節(jié)強(qiáng)度，特使用模型加以解釋說明。

3.1模型的使用材料

PVC-U阻燃電工套管（直徑20cm和15cm），氣球，細(xì)鐵細(xì)，小鐵釘，橡皮筋，塑膠導(dǎo)管，充氣囊。

3.2制作過程

分別將直徑為20cm和15cm的二段PVC-U阻燃電工套管彎成一定直徑（本模型約30cm）的半圓形，截取大半圓周長，將兩段管端分別套在一起，一端二管穿插部位用小鐵釘固定，另一端在大口徑管子近端口處用剪刀演縱向?qū)⑵淝虚_約5公分長的開口（管子對(duì)面二側(cè)），在穿過開口的小管近端部位用小鐵釘固定，以使小管在大管內(nèi)可以滑動(dòng)。該結(jié)構(gòu)作為眼內(nèi)睫狀肌的模型，滑動(dòng)示意睫狀肌的收縮和舒張，起到調(diào)節(jié)晶狀體表面曲率的作用。

用鐵絲做成直徑約15cm的圓圈，將其小心放入到氣球內(nèi)，先充一定的氣體，以調(diào)整鐵絲圓圈在氣球內(nèi)的位置，使其位于氣球邊緣，并使圓圈成近似的正圓形。經(jīng)多次調(diào)整后，氣球充一定量的氣體，使氣球成凸透鏡狀。取氣球邊緣多點(diǎn)，通過橡皮筋固定在PVC-U做成的圓管上，基本均勻分布，這結(jié)構(gòu)示意懸韌帶（一端連著睫狀肌的睫狀突一端連在晶狀體上）。氣球示意晶狀體。通過氣球的充氣口連接塑膠導(dǎo)管，再接充氣囊。通過充氣囊的充氣和放氣來調(diào)節(jié)氣球的充盈度，以示意在睫狀肌收縮或舒張時(shí)，晶狀體表面曲率的變化。

4.模型的演示

演示前，先通過充氣囊給氣球充一定的氣體，使期成比較明顯凸鏡狀，這時(shí)凸鏡狀的氣球示意晶狀體。將由PVC-U套管做成的圓活動(dòng)端滑到最外端，使圓的直徑最大。演示時(shí)，說明模型這時(shí)的狀態(tài)是示意眼睛視遠(yuǎn)物，睫狀肌舒張，懸韌帶被拉緊，晶狀體表面曲率變小，折光強(qiáng)度變?nèi)?，遠(yuǎn)物反射或發(fā)出來的平行光線，經(jīng)較扁平的晶狀體折射后，能確保成像在視網(wǎng)膜上清晰。

演示眼視近物時(shí)，睫狀肌收縮，懸韌帶放松，晶狀體表面曲率增加，折光強(qiáng)度增強(qiáng)，能確保來自近物散射的光線聚焦在視網(wǎng)膜上，清晰成像。滑動(dòng)PVC-U套管圓周上的滑槽，使圓直徑變小，示意睫狀肌收縮，同時(shí)通過充氣囊給氣球增加一定量的氣體，使氣球凸度明顯增加，示意睫狀肌收縮后，晶狀體的曲率增加，以增加對(duì)光線的折射強(qiáng)度。恢復(fù)PVC-U套管圓到最大直徑，同時(shí)通過充氣囊附近的排氣開關(guān)釋放掉部分氣體，使氣球凸度變小，示意睫狀肌舒張，晶狀體表面曲率變小，折光強(qiáng)度變?nèi)??？梢灾貜?fù)上面的演示，以提高學(xué)生對(duì)眼內(nèi)睫狀肌收縮和舒張對(duì)晶狀體表面曲率調(diào)節(jié)的理解。

5.應(yīng)用前景

眾所周知，我們會(huì)在初中的科學(xué)及大學(xué)生理學(xué)上學(xué)習(xí)眼睛的結(jié)構(gòu)以及其用到的光學(xué)原理。但是現(xiàn)在的眼球模型只是給我們展示一下眼球的結(jié)構(gòu)，并沒有結(jié)合如何通過調(diào)節(jié)晶狀體的表面曲率來保證物體清晰成像在視網(wǎng)膜上的展示。睫狀肌的收縮增加晶狀體的曲率，近視物，而舒張減小曲率，遠(yuǎn)視物，這一直是學(xué)生理解上的難點(diǎn)，也是正確保護(hù)眼鏡，防止近視的關(guān)鍵所在。故而，我們小組利用所學(xué)的物理和生物知識(shí)，提出了制作這種模型。希望我們的方法能給大家以啟發(fā)，使廣大的學(xué)子能夠更加直觀，更加清楚的理解眼睛是如何調(diào)節(jié)成像的同時(shí)，也可以幫助老師們的教學(xué)，使課堂變得更加有趣味。

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