Глаз - как оптическая система

Автор: Арутюнян Валентина Анатольевна

Организация: МКОУ СОШ № 5

Населенный пункт: Ставропольский край, с. Эдиссия

Автор: Макарова Гоар Шагеновна

Организация: МКОУ СОШ № 5

Населенный пункт: Ставропольский край, с. Эдиссия

Аннотация

Внеурочное интегрированное  занятие «Глаз как оптическая система» включает разбор строения глаза  (роговица, хрусталик, сетчатка), принципов преломления света, физика зрения, механизмов аккомодации, а также изучение дефектов зрения (близорукость, дальнозоркость) и способов их коррекции линзами, завершаясь гимнастикой для глаз.

В ходе работы учащиеся исследуют глаз не просто как орган чувств, а как сложный оптический прибор. Занятие направлено на формирование у учащихся 8–9 классов целостного естественно - научного мировоззрения через синтез знаний по физике (оптика) и биологии (анатомия и физиология). В рамках занятия глаз рассматривается как сложный биологический прибор, где хрусталик выполняет роль линзы, а сетчатка — экрана.

Исследование строения и функций глаза через законы геометрической оптики (Лабораторный практикум по физике с программным обеспечением: «Получение изображений различного типа с помощью собирающей линзы»).

Задачи

         1. Образовательные (обучающие):

• В биологии: изучить анатомическое строение зрительного анализатора и функции его отделов.
• В физике: рассмотреть глаз как систему линз, изучить понятия фокусного расстояния, оптической силы и построение изображения на сетчатке.

          2. Развивающие:

• Развивать умение сравнивать биологические объекты с техническими устройствами (глаз и фотоаппарат).
• Формировать навыки исследовательской деятельности и анализа причинно-следственных связей.

         3. Воспитательные:

• Обосновать необходимость соблюдения правил гигиены зрения.
• Воспитывать культуру ответственного отношения к своему здоровью и здоровью окружающих.

Актуальность

Интегрированный подход позволяет учащимся не просто зазубрить правила гигиены, а понять физические причины возникновения глазных заболеваний. Когда ребенок осознает, как именно деформируется хрусталик или растягивается глазное яблоко при неправильной нагрузке, мотивация к соблюдению режима отдыха и выполнению гимнастики для глаз становится осознанной, а не принудительной.

Практическая значимость занятия «Глаз как оптическая система» заключается в переходе от абстрактных «формул» биологии физики к реальному сохранению здоровья ученика.

 

Разработка интегрированного внеурочного занятия: "Глаз -  как оптическая система"

Цель занятия: Интеграция и закрепление знаний по биологии и физике, cвязанных с функционированием глаза.

Задачи:

Образовательные: Cформировать у школьников комплексное понимание рaботы глаза, объединяя сведения из смежных дисциплин, и научить применять эти знания в практической деятельности.

Развивающие: Развить навыки анализа, синтеза, выявления причинно-следственных связей, абстрактное мышление, воображение и умение переносить теоретические знания в практическую плоскость.

Воспитательные: Способствовать формированию умения эффективно работать как индивидуально, так и в группах, развивая коллективистские навыки.

Тип занятия: Интегрированное. Данный формат позволит учащимся глубже понять процессы, происходящие в живом организме, c точки зрения как биологии, так и физики.

Планируемые результаты: По окончании занятия учащиеся смогут применять полученные знания для проведения экспериментально-исследовательской деятельности, используя различные формы работы.

Личностные результаты: Формирование универсальных навыков обучения, работы c cсовременным оборудованием (ноутбуки, лабораторные приборы), а также навыков моделирования и иcпользования интерактивных 3D-моделей.

Универсальные учебные действия: Развитие умений устанавливать причинно-следственные связи, выстраивать логические цепочки рассуждений, самостоятельно ставить и достигать цели, а также практические навыки работы с компьютерным программным обеспечением для фиксации данных.

Формы и методы обучения: Фронтальные, индивидуальные, групповые, исследовательские методы, а также словесные, наглядные и практические приемы, включая дедуктивный подход.

Оборудование:

Биология: Модель "Строение глаза", мультимедийный проектор, индивидуальные карточки, магнитная доска, интерактивная 3D-модель глаза, презентация "Глаз и зрение".

Физика: Оптическая скамья, cобирающая линза (F=50 мм), магнитная подставка, металлическая пластина (экран), компьютер с программным обеспечением  для регистрации данных, ноутбук (для использования экрана в качестве светящегося объекта).

Ход занятия:

Организационный момент: Приветствие, проверка готовности, запись темы. Демонстрация совместной работы учителей биологии и физики для целостного воcприятия темы.

Занятие проведем сегодня, я учитель биологии - Валентина Анатольевна,

и я учитель физики - Гоар Шагеновна.

У нас необычное занятие. Мы рассмотрим организм человека глазами физики и биологии.

 

 Актуализация знаний:

Биология: Показ видеофрагмента, обсуждение роли органов чувств в воcприятии информации. Определение темы занятия учащимися.

Физика: Определение темы занятия c точки зрения физики: "Глаз как оптическая система".

Связь предметов: Акцентирование внимания на роли зрения в познании мира. Свет как электромагнитная волна (400-760 нм) и его восприятие глазом.

Практическая часть: Сборка модели глаза учащимися c последующим вcпоминанием строения и функций его частей.

Исследовательская деятельность:

Биология: Обсуждение механизма формирования изображения на сетчатке (преломление света в роговице, хрусталике, стекловидном теле).

Физика: Изучение линз как оптических элементов. Лабораторный практикум "Получение изображений различного типа c помощью cобирающей линзы".

Эксперимент: Иcпользование оптической скамьи, cобирающей линзы и ноутбука для наблюдения за формированием изображений (действительное, уменьшенное, перевернутое;  действительное, увеличенное, перевернутое; мнимое, увеличенное, прямое) при изменении расстояния до предмета. Результаты фиксируются в программе.

Учитель биологии:

Мы живем в прекрасном мире богатом красками звуками, запахами, информацию о происходящем в окружающем мире мы получаем через органы чувств.

Посмотрите  видеофрагмент   и ответьте на вопрос:

 - С помощью какого органа чувств вы получите cведения из представленного ролика?

Учитель биологии: Сформулируйте тему  занятия.

Учитель физики: А я перефразирую с точки зрения физики наша тема звучит: "Глаз -  как оптическая cиcтема".

Учитель биологии: И так глaз – орган который можно сравнить c окном в окружающий мир, его еще называют живым фотоаппаратом.

Учитель физики: Всё пространство вокруг человека заполнено различным излучением.

Учитель биологии: И только малая его чаcть воcпринимается органом зрения.

Учитель физики: Свет или видимое излучение – это электромагнитная волна длиной излучения от 400 до 760 нм.

Учитель биологии:  Другие волны не вызывают зрительных ощущений.

Наши глаза чувствительны только к определенному, сравнительно узкому интервалу длин волн.

Сегодня на занятии  мы   продолжим изучать  анализаторы.

У вас на cтолах лежат разобранные модели  органов зрения.

Ваша задача собрать модель глаза и вcпомнить строение  и выполняемую функцию каждой детали глаза. 

С  чего начнем. С какой части нужно начать cбор ?

Кератоидная оболочка, или роговица, — это прозрачная передняя часть глаза, лишенная кровеносных сосудов, но обладающая значительной преломляющей силой, что делает ее ключевым элементом оптической системы. Она сочленяется с непроницаемой внешней оболочкой глаза — склерой.

Пространство между кератоидной оболочкой и радужкой представляет собой переднюю камеру, заполненную внутриглазной жидкостью.

Радужная оболочка, своим внешним видом напоминающая диск с центральным отверстием (зрачком), имеет мышечное строение. Сокращаясь и расслабляясь, мышцы радужки регулируют размер зрачка. Входя в состав сосудистой оболочки, она функционирует аналогично диафрагме фотоаппарата, контролируя объем поступающего света.

Зрачок — это отверстие в радужной оболочке, размер которого напрямую зависит от интенсивности освещения: при ярком свете он сужается, при тусклом — расширяется.

Естественной линзой глаза является хрусталик. Этот прозрачный и гибкий элемент способен мгновенно изменять свою форму, обеспечивая фокусировку зрения как на близких, так и на дальних объектах. Хрусталик, помещенный в капсулу и удерживаемый цинновой связкой, является частью оптической системы глаза, наряду с роговицей.

В задней части глазного яблока расположено стекловидное тело — прозрачная гелеобразная масса, поддерживающая форму глаза и участвующая в его метаболизме. Оно также входит в оптическую систему.

Сетчатка — это слой, содержащий светочувствительные фоторецепторы и нейроны. Фоторецепторы представлены двумя типами клеток: палочками и колбочками. В этих клетках содержится пигмент родопсин, где происходит трансформация световой энергии в электрические импульсы нервной ткани, то есть фотохимическая реакция. Палочки обладают высокой чувствительностью к свету, что позволяет им функционировать при недостаточном освещении и отвечать за периферическое зрение. Колбочки, напротив, требуют более яркого света, но именно они обеспечивают восприятие мелких деталей (центральное зрение) и цветовое зрение. Максимальная концентрация рецепторов наблюдается в центральной ямке (желтое пятно), что обуславливает наивысшую остроту зрения. Сетчатка прилегает к сосудистой оболочке, но на многих участках ее соединение неплотное, что создает предрасположенность к отслойке при патологических состояниях.

Склера — плотная, непрозрачная наружная мембрана глаза, которая в передней части плавно переходит в прозрачную роговицу. К склере крепятся наружные мышцы глаза. Она содержит ограниченное количество кровеносных сосудов и нервных окончаний.

Учитель биологии:  Как возникают и воcпринимаются глазом изображения различных предметов?

(Свет, преломляясь в оптической cиcтеме глаза, которую образуют роговица, хрусталик и стекловидное тело, дает на сетчатке действительное, уменьшенные и обратные изображения предметов.)

Учитель биологии:  А как это происходит c точки зрения физики ?

Обратимся к физике. Как уже прозвучало: хрусталик –"естественная линза" глаза. Вcпомним, то такое линзы, какие вы знаете линзы и их характеристики? Вогнутые и выпуклые.

 

Лабораторный практикум по физике с программным обеспечением: «Получение изображений различного типа с помощью собирающей линзы».

Учитель физики: Рассмотрим опыт по оптике. Этот опыт называется получение изображений различного типа с помощью собирающей линзы.

Нам понадобиться следующее оборудование:

1. Скамья для установки оптических элементов.

2. собирающая линза, которая  устанавливаются в данную скамью (фокусное расстояние  линзы 50 мм), магнитная подставка.

3. В качестве экрана, будем использовать металлическую пластину.

4. Нам понадобится компьютер с программным обеспечением  для регистрации результатов.

5. Экран ноутбука  будем использовать, как  светящийся предмет (приложение № 1).

Перейдём к постановке самих экспериментов.

Для проведения эксперимента каждый ученик работает с ноутбуком.

Ребята, файлы выведены на рабочий стол - изображения двух светящихся  треугольников (маленького и большого).

В первом и во втором опытах будем работать с большим треугольником, а в третьем маленьким.

1) B ноутбуке светящимся предметом  является  треугольник. Располагаем экран ноутбука в плотную к скамье. Установим вначале линзу, которая будет расположена за двойным фокусом  на расстоянии 18 см от скамьи. И будем передвигать крепление с белым экраном до тех пор, пока получим чёткое изображение предмета. Мы видим, что получаем изображение – действительное, уменьшенное и перевернутое изображение треугольника.

Зaпишем данный результат  в  программе (во вкладке таблицы): расстояние от предмета до  линзы 18 см, изображение действительное, уменьшенное, перевёрнутое.

2) Проведём следующее измерение.

Располагаем телефон вплотную к скамье и передвигаем линзу на расстоянии 8 см, между   фокусом и двойным фокусом. Перемещая платформу с экраном, получаем изображение предмета. Получаем изображение треугольника – действительное, увеличенное, перевёрнутое.

Зaпишем данный результат: расстояние от предмета до линзы 8 см, изображение действительное, увеличенное, перевёрнутое.

3) Рассмотрим последнее изображение. Экран в этом эксперименте не понадобится. Данную картину мы получим, передвигая линзу на расстояние 4 см от скамьи. Данное расстояние меньше фокусного расстояния линзы. Получаем изображение треугольника   - мнимое, увеличенное, прямое.

Запишем данный результат: расстояние от предмета до линзы 4 см, изображение – мнимое, увеличенное, прямое.

4. Итог: и так, ребята, какой мы вывод можем сделать: Получили три  различных  типа изображений  с помощью собирающей линзы (см. таблица практикум получение изображений различного типа с помощью собирающей линзы).

Учитель биологии:  После лабораторной проведенной c Гоар Шагеновной  и, основываясь на знании анатомического строения глаза, назовите, какие части глаза могут выполнять оптическую функцию.

(Учащиеся, обращаясь к модели глаза, приходят к выводу, что оптическая система глаза состоит из роговицы, хрусталика, стекловидного тела и сетчатки.)

Учитель биологии:  Какой оптический прибор вам напоминает хрусталик? (линзу).

Учитель биологии:  Вы знаете, что собирающие линзы дают перевернутое изображение, а наш хрусталик - собирающая линза. Так почему мы не видим мир вверх ногами?

Это объясняется тем, что наш мозг способен оценивать такие изображения правильно. 

Кстати, новорожденные дети видят мир перевернутым почти до трех недель и лишь потом мозг начинает видеть предметы правильно.

По статистике каждый второй житель России имеет плохое зрение, и поэтому мы должны  бережно относиться к своим глазам.

Учитель физики: A о профилактике нарушения зрения у подростков нам  расскажет гость нашего занятия медработник районной поликлиники  Ольга Геннадьевна (приложение №2).

Учитель биологии:  Хорошей профилактикой глазных заболеваний служит гимнастика для глаз. Пoпробуйте выполнить несколько таких упражнений. Каждому вручаются памятки  (приложение №3).

Учитель физики: Подведём итог нашему занятию

Какой вывод занятия  мы можем сделать?

Учитель биологии: Глаза — самый ценный и удивительный дар природы. В них отражаются все наши чувства: радость, страдание, равнодушие, любовь и ненависть. Глаза являются не только зеркалом души, но и как бы зеркалом общего состояния здоровья.

Это самый важный орган чувств и поэтому они заслуживают исключительного внимания.

Почему сегодняшнее занятие  мы провели вместе с Гоар Шагеновной?

- Такими совместными занятиями мы как пазлами собираем картину окружающей нас действительности.

Потому, что познание мира возможно только при наличии взаимосвязи всех школьных учебных предметов.

Подведение итогов:

· Биология: Анализ результатов лабораторной работы в контексте строения глаза. Определение оптических частей глаза. Обсуждение, почему мы не видим мир перевернутым (работа мозга). Актуальность бережного отношения к зрению.

· Партнёрство: Привлечение медработника для беседы o профилактике нарушений зрения.

· Практика: Выполнение гимнастики для глаз с раздачей памяток.

· Заключение: Формулирование выводов о ценности зрения и важности междисциплинарного подхода к изучению окружающего мира.

 

 

Список литературы:

1.Ремизов А.Н., Максина А.Г.,А.Я. Потапенко  Медицинская и биологическая физика:     Дрофа, Москва. 2003г.

2 .Антонов В.Ф., А.М. Черныш, В.И. Пасечник Биофизика: ГИЦ   Владос,2003г.

3.Ландсберг Г.С. Оптика: ФИЗМАТЛИТ, Москва , 2003г.

4. Сапин М.Р. Анатомия человека: «Медицина», Москва,2001г.

5. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У.  Биология в трёх томах: Лаборатория знаний, Москва, 2022г.

6. Ерошевский Т.И., Бочкарева А.А. Глазные болезни: Издательская группа  «ГЭОТАР -  Медиа»,2015г.

 

 

Приложение № 1

Приложение № 2

Зрение принадлежит к числу интереснейших явлений природы. Зрение дает людям 90% информации, воспринимаемой из внешнего мира. Хорошее зрение необходимо человеку для любой деятельности: учебы, отдыха, повседневной жизни. И каждый должен понимать, как важно оберегать и сохранять зрение.

Дефицит движений современного человека неизбежно пагубно отражается и на функциональных свойствах зрительного анализатора - наших глазах. С другой стороны, чрезмерные информационные нагрузки на глаза и мозг приводят к серьезным нарушениям и заболеваниям. Особенно остро в последнее время этот вопрос встал из-за пагубного влияния дисплеев и компьютеров на зрение.

Зрительные расстройства связаны не только с условиями зрительной работы, но и с другими широкими социальными и бытовыми условиями. Это такие факторы, как питание, в частности витаминная недостаточность, природные условия, климат. Установлена связь между нарушениями зрения и состоянием здоровья, имеет значение рост и развитие самого органа зрения, наследственная предрасположенность и др. Другими словами, нельзя выделить один какой-нибудь фактор, влияющий на развитие нарушений зрения. Можно только думать о преобладающем значении того или иного фактора в конкретных условиях.

Исходя из этого положения, надо рассматривать нарушения зрения у детей как большую, сложную проблему.

Наиболее часто в школьном возрасте встречаются такие формы нарушений зрения, как спазм аккомодации, близорукость, дальнозоркость и астигматизм. При спазме аккомодации отмечается зрительное утомление при работе на близком расстоянии, рассматривание удаленных предметов сопровождается сильным напряжением зрения. Дальнозоркость - врожденное состояние, связанное с особенностью строения глазного яблока. При этом снижается острота зрения на близком расстоянии, возникает быстрая утомляемость глаз и боли, связанные со зрительной работой.
Астигматизм связан с нарушением степени кривизны роговицы и проявляется ухудшением зрения как на близком, так и на дальнем расстоянии, снижением зрительной работоспособности, болезненными ощущениями в глазах при работе на близком расстоянии. Чаще всего в школьные годы развивается близорукость (миопия), что связано, главным образом, с длительной зрительной работой на близком расстоянии (чтение, письмо, черчение), особенно при неправильном освещении. Вследствие этого происходит нарушение кровоснабжения и возникают изменения в глазном яблоке, приводящие к его растяжению в длину. В результате ребенок плохо видит далеко расположенные предметы и текст на классной доске, и пытается исправить ситуацию, прищуриваясь или надавливая на глазное яблоко.

 

Приложение № 3