【种花家务·物理】4-4-04眼睛『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第四章光学仪器
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】
§4-4眼睛
【01】人的眼睛，就它的构造来说，跟照相机很相似，也可以看成是一种“光学仪器”。图4·11就是人的眼睛的简图，人眼睛的半径平均约为 2.5 厘米，形状很象一个球体，所以称它做眼球。眼球里的晶状体很象一个双凸透镜（透镜两侧球面都是凸面的凸透镜），其边缘支承在特殊的肌肉和韧带上。晶状体和透明的角膜之间充满着无色透明的水状液，晶状体和视网膜之间充满着另一种无色透明的液体一玻璃体。从物体射出的光线，穿过角膜进入眼球的时候，经过水状液、晶状体和玻璃体的折射，形成一个倒立缩小的实象，如果这个实象恰好成在视网膜上，刺激分布在视网膜上的感光细胞，视神经就会把印象传给大脑，这时候我们就看见这个物体了。
【02】我们可以做一个简单而有趣的实验，来证实物体在视网膜上所成的象是倒立的：在一张硬纸片上戳一个很小的针孔，用手拿在离眼睛 8~10 厘米处；另一只手拿着一枚大头针，竖直地放在贴近眼睛的地方，使纸片上的孔、大头针和眼睛恰好在同一直线上。用一只眼睛对窗或窗外观看（如图4·12所示），这时候眼睛不仅能够通过小孔看见窗和窗外的景物，还能看见大头针清晰的倒影。
【03】当我们看见物体的时候，如果还要求看清楚这个物体，也就是要能够清晰地分辨物体的这一部分和那一部分，那么，就不仅需要物体的象成在视网膜上，同时还要求成在视网膜上的象足够明亮，以及物体两端对眼睛的光心所张的角——视角至少不小于 1 分。当物体对眼睛所张的视角小于 1 分的时候，在视网膜上所成的象，就会落在同一个感光细胞上，整个物体看上去就缩成了一点，无从分辨。这时候眼睛甚至连哑铃和铅球也分辨不清。要使得物体的这一部分和那一部分能够被我们眼睛区分开来（例如我们要看清楚一个哑铃），就必须使物体的这两部分分别落在两个不同的感光细胞上，只有当物体的两部分对眼睛的光心所张的视角大于 1 分的时候，这两部分的象才会落在两个不同的感光细胞上，如图4·13所示。所以看得清楚物体的条件之一是物体对眼睛所张的视角要大于 1 分。
【04】在一定的程度上，人的眼睛能够在远近不同、光线强弱不同的情况下，看清楚外面的物体。这是什么道理呢？
【05】首先是，眼晴晶状体边缘的肌肉有一种收缩和弛张的机能，通过它可以改变晶状体的曲率（从而改变它的焦距），使得离开眼晴远近不同的物体，经过调节以后，象都能够成在视网膜上（眼晴要看清楚一个物体，首先要这个物体的象成在视网膜上），眼球里晶状体到视网膜之间的距离（就是象距 v）是固定不变的，物体离开眼睛的距离（就是物距u）有时远有时近，依靠晶状体曲率的调节可以改变焦距 f，从而使得晶状体的焦距 f 恰好满足公式：，那么，象就能够成在视网膜上了。
【06】其次，眼晴还有另一种适应能力，就是能够控制进入眼球的光线的多少，眼晴要看清楚一个物体，除了象要成在视网膜上以外，还需要成在视网膜上的象足够的明亮。每当我们刚从外面进入正在开映的电影院里时，周围什么也看不清楚，这就是因为周围物体成在视网膜上的象太暗的缘故，等我们在电影院里坐了一些时间以后，又能够看清楚邻近的人了，这是什么缘故呢？因为眼睛晶状体前面有一层虹膜（见图4·11），虹膜当中有一个孔，叫做瞳孔，瞳孔的大小是可以改变的，改变它就可以控制进入眼球的光线的多少，它的作用象照相机中的光圈一样。白天我们在室外，瞳孔收缩得比较小，防止有过多的光线进入眼睛产生过强的刺激；当我们进入电影院或其他黑暗的地方时，瞳孔就会慢慢地放大，让较多的光线进入眼晴。正是这个原因，人们进入电影院后，过了一会，就又能看清楚邻近的人了。人的瞳孔在强烈的光线下直径可以收缩到 2 毫米，在光线很微弱的情况下，可以放大到 8 毫米左右。
【07】再其次，眼晴要看清楚一个物体，还要满足第三个条件，就是物体的两端对眼睛光心所张的视角要大于 1 分。物体离开眼睛越远，张的视角也越小，在视网膜上成的象也就越小（如图4·14）。当物距 u 不变，视角和象的大小也是不变的，眼睛自身没有调节象的大小的能力，每当视角太小的时候，我们只能把物体移近一些，或者使眼晴靠近物体去观察，这样就可以看得清楚一些，因为这时候的视角相对的增大了。但是，这也有一个限度，那就是如果物体离开眼晴的距离移近到某一个一定的数值以后，即使晶状体的曲率调节到最大也不能使物体的象成在视网膜上，这时候物体仍旧不能被看清楚。眼睛经过调节所能够看得清楚的最短距离叫做近点。年青人的正常眼睛，近点约在 10 厘米左右。
【08】眼睛的晶状体在曲率最小的时侯，能够看得见多远的物体呢？正常的眼睛在曲率最小的时候，能够把平行光束聚在视网膜上，也就是能够看得清楚无限远的物体（因为从无限远物体射来的光线是平行的）。在天气晴朗的夜晚，我们能够看清楚月亮清晰的轮廓，说明正常的眼睛在晶状体曲率最小的时候能够看清楚无限远处的物体，眼晴能够看得清楚的最远距离，叫做远点。正常的眼睛远点是无限远。
【09】人的眼睛虽然有一定的调节能力，但是长时间在高度调节的情况下作很近距离的观察，眼晴很快就会感到疲劳。人们的眼睛比较习惯于在适当的距离（对正常眼睛讲，这个距离约为 25 厘米）下看东西，这时眼睛不容易感到疲劳，所以我们又把 25 厘米叫做眼睛的明视距离。
【10】人的眼睛也有不正常的，象近视眼和远视眼等。下面就来讨论这两种眼晴的缺陷和矫正的方法。
(1)近视眼
【11】这种眼睛的晶状体的折光本领比正常的眼睛大些，或是角膜到视网膜的距离比正常的眼睛长些，晶状体在曲率最小的时候，也不能把平行光束会聚在视网膜上（而是聚在视网膜前），这种眼睛，远点不是无限远，只适于看较近的物体，近点也比 10 厘米小。要使这种眼睛能够看清楚无限远的物体，必须把物体在视网膜前所成的象正好移到视网膜上，矫正近视眼的方法是戴一副用凹透镜做的眼镜（俗称近视眼镜），利用这种透镜对于光束的发散作用，可以使得物体所成的象远一些，根据眼睛近视程度的不同，只要选择适当焦度的凹透镜，就能使无限远物体的象刚好成到眼睛的视网膜上（见图4·15）。
(2)远视眼
【12】这种眼睛的晶状体的折射本领比正常的眼睛小些，或是角膜到视网膜的距离比正常的眼睛短些，晶状体在曲率最小的时候，无限远处物体的象，成在视网膜的后面，要经过调节才能看清楚无限远处的物体；较近处物体的象，成在视网膜的更后面一些，这时候要看清楚物体，晶状体就需要作更大的调节，这种眼睛（远视眼）的近点比 25 厘米还要远，（物体离开眼睛接近 25 厘米时，虽经调节，眼睛仍不能看清楚这个物体）矫正远视眼的方法是戴一副凸透镜做的眼镜（俗称远视眼镜）。利用这种眼镜对于光束的会聚作用，使得物体所成的象可以移近一些，根据眼睛远视程度的不同，只要选择适当焦度的凸透镜就可以使近处物体原来成在视网膜后的象，刚好成在视网膜上（见图4·16）。
【13】正常的眼睛，或是有缺陷的眼睛经过矫正以后，虽然都能使远处或近处物体的象成在视网膜上，但是，如果物体对眼睛的光心所张的视角小于 1 分的时候，还是看不清楚，这时候就需要设法增大视角，使视网膜上的象增大。增大视角的途径有两方面：(1)把物体移近。平时我们为了辨别物体的细小部分，总是走到物体的近前去看，或者把物体拿到眼的近旁来仔细观察。(2)利用光学仪器的帮助。当物体很小，移到眼的近点时视角还不到 1 分，或者物体很远，而它们离眼睛的距离又是不能缩短的时候，（例如观察天体；作战时观察敌情；坐在很远的座位上看戏等）就需要使用各种光学仪器来增大视角。下面就介绍几种常见的用来增大视角的光学仪器。
