|
Реферат: Расцвет естествознания в XIX веке (Естествознание)
Расцвет естествознания на конец XIX века. Электричество
Вступление
Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефонов и телеграфа,
всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в
основе которых лежит возможность использования электрического тока.
Открытие электрического тока и всех последующих открытий, связанных с ним,
можно отнести к концу XIX- началу XX веков. В это время по всей Европе и в
том числе России прокатилась волна открытий, связанных с электричеством.
Пошла цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу для последующих
открытий на многие десятилетия вперёд.
Начинается внедрение электричества во все отрасли производства, появляются
электрические двигатели, телефон, телеграф, радио, электронагревательные
приборы, начинается изучение электромагнитных волн и влияние их на
различные материалы, внедрение электричества в медицину.
Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так
изменившей мир, начался с гальванического элемента - первой батарейки,
химического источника тока (вольтова столба) . Этим чрезвычайно важным
изобретением итальянский учёный А. Вольта встретил новый 1800 год. Вольтов
столб позволил вести систематическое изучение электрических токов и
находить им практическое применение.
В XIX веке электротехника выделилась из физики в самостоятельную науку.
Над закладкой её фундамента трудилась целая плеяда ученых и изобретателей.
Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М.
Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон – эти имена мы
встречаем в учебниках физики (в честь некоторых из них названы единицы
электрических величин) .
XIX век щедро одарил человечество изобретениями и открытиями в области
технических средств коммуникации. В 1832 году член-корреспондент
Петербургской Академии наук Павел Львович Шиллинг в присутствии императора
продемонстрировал работу изобретённого им электромагнитного телеграфа, чем
положил начало проводной связи. В 1876 году Александр Белл изобрёл телефон.
В 1859 году братья Луи и Огюст Люмьеры дали первый киносеанс в Париже, а
Александр Степанович Попов в Петербурге публично демонстрировал передачу и
приём электрических сигналов по радио.
Не зря XIX век назвали веком электричества. В 1867 году Зеноб Грамм
(Бельгия) построил надёжный и удобный в эксплуатации электромашинный
генератор, позволяющий получать дешевую электроэнергию, и химические
источники отошли на второй план. А в 1878 году на улицах Парижа вспыхнул
ослепительный “русский свет” – дуговые лампы конструкции Павла Николаевича
Яблочкова. Закачались стрелки на приборах первых электростанций.
Возможности электричества поражали: передача энергии и разнообразных
электрических сигналов на большие расстояния, превращение электрической
энергии в механическую, тепловую, световую…
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических
элементов –химических источников электрического тока. Связывают его с
именем Александра Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские
древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожённой
глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это?.. Многое в
окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций, до сих опор не
понятно людям. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он
оказывается не таким уж примитивным, как думается. “А уж не банки ли это
химических элементов?” – пришла кому-то в голову сумасшедшая мысль.
Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока
химическим путём действительно очень просто. Солёной воды на Земле хоть
отбавляй, как и необходимых металлов – цинка и меди. Вместо меди лучше
применять серебро и золото… Первые элементы имели один общий недостаток.
Они давали ток лишь первые несколько минут, затем требовали отдыха. Почему
это происходило, ни кто не понимал. Но с такими быстро утомляющимися
элементами нечего было, и думать затевать какую-то промышленность. И
поэтому все усилия исследователей сконцентрировались на проблеме
утомляемости.
Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород.
Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение
тока. Физики назвали это явление поляризацией и объявили ему войну.
Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен
выяснили, что цинковая пластина, покрытая амальгамой – действует слабее чем
пластина из чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда
элемент не работает, то есть когда он не даёт тока. Это стало существенным
достижением. Следом за ним французский учёный, основатель учёной династии
Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластины в
разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с
кислородом, образуя воду. Идея понравилась, но как её реализовать?
Изобретатели всех стран принялись за опыты.
На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского
королевского колледжа Даниеля. В стеклянную банку с медным купоросом он
поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный
сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В
кислоту был помещён цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда,
вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно
банки, пополняли убыль меди… Поляризация была побеждена! Однако у элемента
Даниеля нашлись другие недостатки. Так, он имел электродвижущую силу. Часть
электрической энергии тратилось внутри самого элемента на разложение
медного купороса.
Соотечественник Даниеля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной
кислотой. А чтобы она не разъела медный электрод, заменил медь платиной.
Всё получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла.
К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина дорогой
металл. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших
листков, согнутых для прочности буквой S. Не смотря на высокую стоимость,
элементы Грове нашли широкое применение в лабораториях многих стран мира.
Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину
древесным углём. Принципиальная возможность такой замены была уже известна.
Но надо учитывать тот уровень техники, ни кто не умел делать плотных углей.
А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет,
прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ получения угольных
стержней из прессованного молотого графита, который выделяли при сгорании
светильного газа на раскалённых стенках реторт. Стержни стали прекрасным
заменителем платины.
Элемент Бунзена приняли “на ура” не только лаборатории физики, но и первые
электротехнические предприятия по гальванопластике. И это, не смотря на то,
что элемент при работе выделял немало удушливых паров азотной кислоты.
Правда, Иоаган Поггендорф заменил азотную кислоту на хромовую, но это себя
не оправдывало т.к. производство хромовой кислоты очень сложный и
дорогостоящий проект. Изобретатели старались вовсю. На страницах журналов
появлялись всё новые и новые конструкции химических элементов. Их
изобретали все: любители, научные мужи… Впрочем, во второй половине XIX
столетия источники тока стали изготовлять в специальных мастерских.
Мастерские эти работали в основном на телеграф. Основными требованиями,
которого были: простота устройства, его дешевизна, устойчивость и
надёжность в работе. За всё это телеграфисты соглашались на самые слабые
токи.
Можно рассказать ещё о многих более или менее удачных попытках
изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа
Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками
угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму,
которая должна была служить положительным электродом. Эта система
заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырёх
угольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При
этом хлор из нашатыря, соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний
распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова
пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород
медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы
тока, который отбирается с элемента. Больше ток больше выделяется водорода.
Водород же поляризует элемент, и последний быстро устаёт. Правда после
некоторого отдыха он исправно работает снова. Однако лучше всего его было
использовать при малых силах тока в телеграфии или в системе сигнализации,
где между моментами работы существуют довольно большие промежутки.
Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали
стеклянные банки с жидкостью. Особенно это мешало компаниям пассажирских
перевозок, которые строили корабли с системой сигнализации не чем не
уступавшей многим лучшим отелям. Но в море корабли подвергались качке… И
чтобы не расплескать жидкость из банок, их стали заполнять опилками, а
потом заливать варом. Под такой крышкой в результате работы батареи
начинали скапливаться газы, которые в последствии разрывали банку. Не скоро
люди научились делать сухие элементы, которые стали в наше время такими
обычными. Но любой из них является много раз усовершенствованным и
упрощенным элементом Лекланше.
Великим достижением прошлого века, связанного с исследованием работы тех же
элементов, явилось открытие возможности параллельного и последовательного
их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное
напряжение, а во втором – суммарный ток…
ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (АККУМУЛЯТОРЫ)
Грове в 1932 году изобретает газовый элемент, который получает название
вторичного элемента, поскольку давал ток лишь после его зарядки от какого-
нибудь постороннего источника. Однако из-за неудобства пользования газовый
элемент Грове распространения не получил.
Примерно в 1859-1860 годах в лаборатории Александра Беккереля- второго
представителя славной династии французских физиков – работал в качестве
ассистента некто по имени Гастон Плантэ. Молодой человек решил заняться
совершенствованием вторичных элементов, чтобы сделать их надёжными
источниками тока для телеграфии, Сначала он заменил платиновые электроды
газового элемента Грове свинцовыми. А после многочисленных опытов и поисков
вообще перешел к двум одинаковым свинцовым листам. Он их проложил суконкой
и намотал всё это на деревянную палочку, чтобы вошло в круглую стеклянную
банку с электролитом. Затем подключил обе пластины к батарее. Через
некоторое время вторичный элемент зарядился, и сам оказался способен давать
ощутимый ток постоянной силы. При этом если его не разряжали сразу, заряд
электричества сохранялся в нем длительное время.
Собственно, это и было рождением аккумулятора – накопителя электрической
энергии. Первые аккумуляторы Гастона Плантэ имели очень незначительную
электрическую ёмкость – они запасали совсем немного электричества. Но
изобретатель заметил, что если заряженный первоначально прибор разрядить, а
затем пропустить через него ток в обратном направлении и повторить этот
процесс не один раз, то емкость аккумулятора увеличится. При этом возрастал
слой окисла на электродах. Этот процесс получил название формовки пластин и
занимал сначала около трёх месяцев.
Как и у всех гальванических элементов, ток аккумулятора тем больше, чем
больше площадь его электродов. Эту истину хорошо усвоил Камилл Фор. Он был
самоучкой – без специального образования – с юных лет безраздельно
увлекался техникой. Вынужденный зарабатывать деньги на жизнь. Фор сменил
множество специальностей. Был чертёжником, техником, рабочим, химиком на
английском пороховом заводе, работал у Планте. Разносторонние практические
знания сослужили ему добрую службу. После Парижской выставки 1878 года в
голову Камилла Фора запала идея нового способа формовки пластин. Он
попробовал заранее покрывать их свинцовым суриком. При зарядке сурик на
одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно
раскалялся. При этом слой окисла приобретал пористое строение, а значит, и
увеличивалась площадь взаимодействия с кислотой. Процесс формовки протекал
значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно
больше электрической энергии, чем аккумуляторы Плантэ. Другими словами, их
энергоёмкость была больше. Это обстоятельство особенно привлекало к ним
симпатии электротехников. Но главная причина их возросшей популярности
заключалась в другом… В конце столетия во многих странах на улицах и в
домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались
энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним
вечером, когда энергии требовалось значительно больше, на помощь машинам
приходили аккумуляторы. Это было значительно дешевле, чем устанавливать
дополнительные генераторы. Тем более что в спокойные дневные и ночные часы
аккумуляторы могли заряжаться, поглощая излишки энергии вырабатываемой
машинами.
Дальнейшее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути
улучшения их конструкции и изменения технологии получения пластин.
Существует еще один вид аккумуляторов – железоникелевый щелочной, который
разработал Эдисон. В нем отрицательный электрод выполнен из пористого
железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод –
никелевый, окружен окисью трёхвалентного никеля. В качестве электролита
используют 21% раствор едкого натра. Корпус чаще всего изготавливается из
стали. Коэффициент полезного действия у щелочного аккумулятора меньше, чем
у свинцового. Но зато щелочной аккумулятор лучше переносит перегрузки, не
чувствителен к избыточному заряду и сильному разряду, прочен, легко
переносит перегрев и не нуждается в ремонте. А поскольку из щелочных
аккумуляторов не выделяются газы их можно делать герметичными.
РУССКИЙ СВЕТ
Создание экономичного генератора электрического тока оживило усилия
изобретателей, искавших области применения электрического тока помимо
телеграфа. Уже первые исследователи гальванизма заметили, что проволока, по
которой идёт электрический ток, нагревается, накаливается и может даже
раскалиться до яркого свечения и расплавиться. Кроме того, в 1802 году В.
В. Петров указал на возможность освещения тёмных покоев с помощью
электрической дуги. Он же исследовал электроразрядное свечение в
разряженном пространстве под колпаком. Те же явления позже были изучены
Дави и Фарадеем… Освещение! Сейчас трудно представить себе, что всего
полтораста лет тому назад оно являло собой проблему общественной жизни. С
начала XIX века в дома горожан проникает газовое освещение, пришедшее на
смену свечам и лампам с жидким горючим. Сначала газовый свет казался
великолепным. О лучшем, нечего было и мечтать. Однако триумф газа был
недолгим. Уже к середине века газовое освещение перестало удовлетворять
людей из-за своих многочисленных недостатков. Оно было тусклым,
небезопасным в пожарном отношении, вредным для здоровья.
На фабриках и на заводах, где трудовой день был 14-16 часов, отсутствие
яркого света сказывалось на росте производительности и тормозило
технический прогресс. Все это способствовало усилению работы изобретателей
над новыми видами электрического освещения: над дуговыми лампами, лампами
накаливания и газоразрядными лампами.
Раньше других появились в разработке дуговые лампы, хотя первое время их
прогресс сдерживался отсутствием надёжных источников тока, не было и
хороших углей. Древесные угли, которыми пользовались Дэви Петров, быстро
сгорали и были не прочны. Выход нашёл Роберт Бунзен – известный химик,
изобретатель цинко-угольного элемента. Он предложил использовать твёрдый
нагар, остающийся на раскалённых стенках газовых реторт. Из отбитых кусков
этого нагара удавалось выпилить небольшие твёрдые стержни, которые хорошо
проводили ток и сгорали значительно медленнее. Позже этот нагар стали
молоть и из порошка формовали стержни требуемого размера и необходимой
однородности.
Вторая трудность, её называли проблемой регулятора, заключалась в том, что
угли сгорали – и расстояние между ними увеличивалось. Дуга становилась
неспокойной, свет из белого становился голубым, начинал мигать и гас. Нужно
было придумать механизм, поддерживающий между концами угля одинаковое
расстояние.
Изобретатели предложили много устройств. Большинство из них имело тот
недостаток, что невозможно было включить несколько ламп в одну цепь.
Поэтому каждый источник первое время работал на один светильник.
Но вот в 1856 году в Москве изобретатель А. И. Шпаковский создал
осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными
оригинальными регуляторами. Правда, и они не решали проблему дробления
света.
Первым разрешил её изобретатель В. Н. Чиколев, применивший в 1869 году в
дуговой лампе дифференциальный регулятор. Этот принцип используется до сих
пор в больших прожекторных установках.
Примерно к тому же времени относятся удачные опыты по применению ламп
накаливания и даже первых газосветных трубок. Но самую важную и решающую
роль в переходе от опытов по электричеству к электрическому освещению
сыграли работы русского электротехника П. П. Яблочкова… В 1875 Яблочков
вместе с изобретателем. Глуховым организовал в Петербурге мастерскую
физических приборов. Компаньоны с увлечением конструировали
электротехнические новинки, ставили опыты, обсуждали грандиозные проекты… К
сожалению, оба оказались плохими предпринимателями, и финансовые дела их
предприятия шли из рук вон плохо.
Однажды, получив заказ на изготовление установки для электролиза поваренной
соли, Яблочков занялся поиском наивыгоднейшего положения электродов в
растворе. Случилось так, что он коснулся концом одного электрода конца
другого. Вспыхнула дуга. Они не переставали гореть, пока не сгорели. Павел
Николаевич, мысли которого были заняты обдумыванием устройства дуговой
лампы, сразу же понял, что перед ним простое и безусловное решение
проблемы… Финансовый крах оторвал его от занятий. В октябре того же года
Яблочков уезжает в Париж, где поступает на работу в электротехнические
мастерские. Здесь он доводит своё изобретение до конца и получает за него
патент. Два параллельно поставленных угольных стержня с прокладкой из
каолина присоединялись к клеммам гальванической батарейки или машине
постоянного тока. Наверху стояла угольная перемычка – запал, который быстро
сгорал при включении. Немало пришлось поэкспериментировать Павлу
Николаевичу. Угли сгорали не равномерно. Положительный электрод уменьшался
быстрее, приходилось его делать толще… Простота конструкции и безотказность
в работе электрической свечи Яблочкова привели к тому, что успех
изобретения превзошёл самые смелые ожидания. Технические журналы и мировая
пресса пророчили наступление новой эпохи… В 1876 году русский изобретатель
представил свою удивительную свечу на Лондонской выставке. И там она стала
гвоздём программы. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился
учреждения акционерного общества “Общество изучения электрического
освещения по методам Яблочкова” . Благодаря стараниям этого француза, лампы
Яблочкова появились в самых посещаемых местах Парижа, на улице – Авеню де
ль’Опера и на площади Оперы, а также в магазине “Лувр” тусклое газовое и
жидкостное освещение заменили матовые шары, которые светились белым, мягким
светом.
Это было так прекрасно, что из Парижа русский свет шагнул не только в
другие города, но пересёк границы. Ещё большую популярность он получил
после удачного эксперимента Яблочкова, в котором он попробовал применять не
постоянный, а переменный ток (теперь угли сгорали равномерно) .
ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ
Единственное изобретение, которое можно противопоставить дуговой лампе
Яблочкова носит название дуговой лампы. Её демонстрация произошла тёмным
осенним вечером 1873 года, толпы петербуржцев спешили на Пески (ныне –
район Советских улиц) . “Там их ожидало чудесное зрелище. В двух уличных
фонарях керосиновые лампы были заменены какими-то стеклянными пузырями, от
которых шли провода в толстой резиновой оболочке к световой машине. Рядом
суетились люди. Прилично одетый господин в длинном расстёгнутом пальто что-
то прикручивал, соединял. Провода лежали прямо на панели и путались под
ногами. Но вот застучала машина, зачихала, завертела якорь генератора, и
пузырьки на столбах вспыхнули ярким светом. Люди вынимали припасённые
газеты, сравнивали, на каком расстоянии от старого керосинового фонаря и
нового можно было различить буквы. Разница была впечатляющей. Люди
подходили и поздравляли господина в пальто” Господин Лодыгин, это
великолепно! Господин Лодыгин, это изумительно!” .
Лампа накаливания была не первым его проектом, ещё в 1870 году он пытается
предложить Франции своё детище электролёт. Но, к сожалению, его проект, на
который тогдашнее правительство Франции ассигнует 50 тысяч франков, был
свёрнут по причине революции. А патент на применение электричества в
воздушной навигации получили братья Гастон и Альфред Тиссандье –
воздухоплаватели.
От него осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного
аппарата Лодыгин предлагал лампочку накаливания. Вернувшись в Россию, он
получает привилегию на неё и, имея уже некоторый опыт, патентует
изобретение в ряде европейских государств.
В 70 годы того же века с лампочкой Лодыгина случилась одна любопытная
история… В то время на одной из Северо-Американских верфей строили корабли
для России, и когда настало время их принимать, туда поехал лейтенант
русского флота А. Н. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп накаливания
Лодыгина. Может, чтобы освещать помещения корабля. А почему бы и нет?
Изобретение уже тогда было запатентовано во Франции, России, Бельгии,
Австрии и Великобритании… Случилось так, что он показал русские лампы
изобретателю по имени Томас Эдисон, которому новинка чрезвычайно
понравилась. Американец принялся за усовершенствование русского
изобретения.
Сейчас трудно установить насколько описанное обстоятельство повлияло на
изобретение Эдисона. Но именно он первым предложил выкачивать из ламп
накаливания воздух. Но Лодыгин тоже не остановился на достигнутом и ставит
всё новые и новые опыты, в результате которых он предложил использовать
вместо угля вольфрам и другие металлы, тогда как у Эдисона роль спирали
исполняло бамбуковое волокно.
Белое пятно в электричестве
В конце прошлого века учёные (Стюарт, 1878 год) пришли к выводу, что в и
атмосфере Земли на высоте примерно шестидесяти километров начинается
ионизированная область – ионосфера, проводящий слой атмосферы, который как
скорлупой охватывает планету. Это позволяет грубо и приближенно
рассматривать земную поверхность и ионосферный слой как обкладки
конденсатора с разностью потенциалов около трёхсот тысяч вольт. В районе
ясной погоды этот природный конденсатор постоянно разряжается, поскольку
ионы под действием сил электрического поля уходят к Земле. А вот в районах
грозовой деятельности картина иная. Считается, что в один момент времени
гроза охватывает примерно 1% земной поверхности. В этих районах мощные токи
текут снизу вверх, компенсируя разряд в ясных районах.
Таким образом, грозовые облака – это не что иное, как природные
электрические генераторы, поддерживающие в равновесии всю систему сложного
электрического хозяйства во всем земном масштабе.
Казалось бы, люди, занявшиеся изучением электрических сил, в первую очередь
должны были бы обратить внимание на атмосферное электричество. Ведь оно,
как ни какое другое, ближе и всегда под руками. Однако на деле было не так.
Долгое время исследователи и не предполагали, что крошечная искорка и
молния явления одной природы и лишь разные по своему масштабу. Вернее
сказать, подозрения, конечно, были. Порою, они даже высказывались в слух.
Но это были лишь подозрения. Глубокое заблуждение древних философов,
убеждённых в том, что мир Земля не имеет ничего общего с миром Неба, были
стойкими и держались долго. Лишь в XVIII веке наступило время объединить
наблюдаемые явления и уверенно заявить о том, что небесное и земное
электричество – явления одной природы. И только XX столетие объяснило
механизм образования грозы. Правда, пока объяснило тоже не до конца…
Применение электричества в медицине и биологии
С течением времени областей применения электричества становится всё больше.
Становится популярным применение электричества и в химии, начало которому
положил Фарадей.
Перемещение вещества – движение зарядоносителей – нашло одно из первых
своих применений в медицине для ввода соответствующих лекарственных
соединений в тело человека. Суть метода состоит в следующем: нужными
лекарственными соединениями пропитывается марля или любая другая ткань,
которая служит прокладкой между электродами и телом человека; она
располагается на участке тела подлежащему лечению. Электроды подключаются к
источнику постоянного тока. Метод подобного ввода лекарственных соединений
впервые применён во второй половине XIX века, широко распространён и
сейчас. Он носит название электрофореза или ионофореза.
Последовало ещё одно, имеющее огромную важность для практической медицины
открытие в области электортехники. 22 Августа 1879 года английский ученый
Крукс сообщил о своих исследованиях катодных лучей, о которых в то время
стало известно следующее:
1. При пропускании тока высокого напряжения через трубку с очень сильно
разряженным газом из катода вырывается поток частичек, несущихся с
огромной скоростью.
2. Эти частички движутся строго прямолинейно.
3. Эта лучистая энергия может производить механическое действие.
Например, вращать маленькую вертушку, поставленную на её пути.
4. Лучистая энергия отклоняется магнитом.
5. В местах, на которое падает лучистая материя, развивается тепло. Если
катоду придать форму вогнутого зеркала, то в фокусе этого зеркала
могут быть расплавлены даже такие тугоплавкие материалы, как,
например, сплав иридия и платины.
6. Катодные лучи – поток материальных телец меньше атома, а именно частиц
отрицательного электричества.
Таковы первые шаги в преддверии нового крупнейшего открытия, сделанного
Вильгельмом Конрадом Рентгеном.
Рентген обнаружил принципиально иной источник освещения, названный Х-
лучами. Позже эти лучи получили название рентгеновских. Сообщение Рентгена
вызвало сенсацию. Во всех странах мира множество лабораторий начали
воспроизводить установку Рентгена, повторять и развивать его исследования.
Особый интерес вызвало это открытие у врачей. Физические лаборатории, где
создавалась аппаратура, используемая Рентгеном для получения Х-лучей,
атаковались врачами и их пациентами, подозревавшими, что в них находятся
когда-то проглоченные иголки, пуговицы и т.д. История медицины до этого не
знала столь быстрой реализации открытий в области электричества, как это
случилось с новым диагностическим средством – рентгеновскими лучами.
Заинтересовались рентгеновскими лучами и в России. Еще не было официальных
научных публикаций, отзывов на них, точных данных об аппаратуре, лишь
появилось краткое сообщение о докладе Рентгена, а под Петербургом, в
Кронштадте, изобретатель радио Александр Степанович Попов уже приступает к
созданию первого отечественного рентгеновского аппарата. Об этом факте мало
известно. О роли А. С. Попова в разработке первых отечественных
рентгеновских аппаратов, их внедрении, пожалуй, впервые стало известно из
книги Ф. Вейткова.
Новые достижения электротехники соответственно расширили возможности
исследования “живого” электричества. Маттеучи, применив созданный к тому
времени гальванометр, доказал, что при жизнедеятельности мышц возникает
электрический потенциал. Разрезав мышцу поперёк волокон, он соединил её с
одним из полюсов гальванометра, а продольную поверхность мышцы соединил с
другим полюсом и получил потенциал в пределах 10-80 мВ. Значение потенциала
обусловлено видом мышц. По утверждению Маттеучи, биоток течёт от продольной
поверхности к поперечному разрезу, и поперечный разрез является
электроотрицательным. Этот любопытный факт был подтверждён опытами над
различными животными – черепахами, кроликами и птицами, проводимыми рядом
исследователей, из которых следует выделить немецких физиологов Дюбуа-
Реймона, Германа и нашего соотечественника В. Ю. Чаговца. Пельтье в 1834
году опубликовал работу, в которой излагались результаты исследования
взаимодействия биопотенциалов с протекающим по живой ткани постоянным
током. Оказалось, что полярность биопотенциалов при этом меняется.
Изменяется и амплитуда.
Одновременно наблюдалось и изменение физиологических функций.
В лабораториях физиологов, биологов, медиков появляются
электроизмерительные приборы, обладающие достаточной чувствительностью и
соответствующими пределами измерений. Накапливается большой и
разносторонний экспериментальный материал.
ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
В 1862 году впервые был описан случай поражения электрическим током при
случайном соприкосновении с токоведущими частями. Смерть наступила
мгновенно. Подобные случаи смерти, вызванной электрическим током, начали
регистрировать; по мере расширения использования электричества число их
росло. Мнение было единое – смерть наступала, как правило, мгновенно и
каких либо существенных изменений на теле не обнаруживалось. Исключение
составляли случаи, когда поражение сопровождалось ожогом электрической
дугой.
С конца XIX века начинаются опыты на животных для определения пороговых -
опасных – значений тока и напряжения. Определение этих значений вызвалось
необходимостью создания защитных мероприятий. Начиная с первых годов XIX
столетия, особенно после того, как появляются сведения о крайне мучительной
и не мгновенной смерти при казни на электрическом стуле, возникли
противоречия, как в оценке опасных значений поражающих токов, так и в
оценке механизма поражения. Не вдаваясь сейчас в существо противоречий,
отметим одно: при электротравмах люди погибают иногда при небольших
значениях напряжений и токов, и выживают при больших значениях напряжений и
токов, достигающих нескольких киловольт и сотен миллиампер. Основоположник
науки об опасности электричества – австрийский учёный Еллинек, столкнувшись
при расследовании поражения электрическим током с этим фактом, еще в конце
20-ых годов нашего столетия впервые высказал предположение о том, что
решающую роль во многих случаях поражений играет фактор внимания, то есть
по существу, тяжесть исхода поражения обуславливается в значительной
степени состоянием нервной системы человека в момент поражения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводом из всего выше сказанного следует то, что не только электричество
влияло на прогресс, но и прогресс влиял на развитие электричества. Так как
многие открытия совершались в процессе разработки или создания какого-
нибудь уже известного прибора. Многие учённые работали ради науки, но были
люди, которые стремились сделать открытия ради материального благополучия.
Электричество коренным образом изменило жизнь людей. На заводах стали
появляться электрическое освещение, машины работающие от электрических
приводов и на конец сами машины для выработки электричества.
Появилось радио, телеграф, телефон и ещё много вещей, которыми мы
пользуемся и по сей день… Люди, которые разрабатывали методики применение
электричества в медицине и ставили опыты на себе, вызывают восхищение.
Многие изобретатели прожили очень несчастную, но продуктивную жизнь. Ради
своих опытов они рвали с семьёй, тратили своё личное состояние и узнавали,
что-то над чем они трудились уже открыл кто- то другой.
В общем, электричество – это то без чего не возможен бы был такой громадный
прорыв во всех отраслях науки, начиная с изобретения первой батарейки и
кончая достижениями в наши дни…
Понятия и термины: Электрическим током называется направленное движение
электрически заряженных частиц. В зависимости от взаимодействия
электрического тока с теми или иными веществами эти вещества делят на
проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводниками – называют материалы, хорошо проводящие электрический ток.
Диэлектрики - вещества, не проводящие электрический ток.
Полупроводники называют промежуточное положение между проводниками и
диэлектриками по своему сопротивлению прохождения электрического тока.
Постоянный ток – возникает в цепи, если напряжение не меняется с течением
времени.
Переменный ток – возникает в цепи, если напряжение меняется во времени.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. А. Томилин “Рассказы об электричестве” . Москва “Детская литература”
1987 год
2. В. Е. Манойлов “Электричество и человек” Ленинград ЭНЕРГОИЗДАТ
Ленинградское отделение 1982 год. (Издание второе)
3. “Энциклопедический словарь юного физика” Москва “ПЕДАГОГИКА” 1991 год.
4. “Детская энциклопедия” том 5 (второе издание) издательство
“ПРОСВЕЩЕНИЕ” Москва 1965 год
5. “Энциклопедический словарь юного техника” Москва “ПЕДАГОГИКА” 1987
год.
Реферат на тему: Свет
ЦВЕТ, СВЕТ И ЗРЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
|Введение | |
|1. Свет | |
|2. Органы зрения | |
|2.1. Основные тенденции развития органов зрения в животном | |
|мире | |
|2.2. Цветовое зрение | |
|3. Зрительный анализатор человека | |
|3.1. Строение глаза | |
|3.2. Оптическая система | |
|3.3. Адаптация | |
|3.4. Световая и цветовая чувствительность | |
|4. Фотохимическая теория зрения | |
|5. Объяснение цвета тел | |
|Заключение | |
|Список использованной литературы | |
|Приложения | |
ВВЕДЕНИЕ
Учение о свете и световых явлениях составляет раздел физики,
называемый оптикой.
Знание основных оптических законов имеем большое познавательное и
практическое значение.
Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из ни,
например такие, как вечерние зори, когда небо и облака над горизонтом как
будто пылают в огне; радуга, простирающаяся от горизонта до горизонта, или
полярные сияния, наблюдающиеся в полярных широтах, весьма красочны. Тем,
кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся
необыкновенными и загадочными.
Чтобы выяснить причины тех или иных световых явлений, нужно
обнаружить связь наблюдаемого явления с другими явлениями и объяснить его
на основании определенного закона природы. Тогда загадочность явления
исчезнет, и мы приобретем о нем научное знание.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми
явлениями, но обычно не задумываемся над ними – настолько они привычны для
нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например,
чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или
сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку.
А вот пример более сложного светового явления. Мы видим
окружающие нас предметы многоцветными при освещении солнцем или яркой
лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность
предметов блекнет.
На основе законов оптики возникла оптическая и осветительная техника.
Оптическая техника получила свое развитие благодаря изобретению
и использованию линз. Линзы составляют главную основу оптических приборов.
Каждому теперь известны очки, лупа, микроскоп, бинокль, телескоп и др.
Но самым главным и ценнейшим для нас является живой оптический
– наш орган зрения – глаз.
1. СВЕТ – ИСТОЧНИК ЗРЕНИЯ
Когда мы при дневном свете смотрим на различные тела, Тела
окружающие нас, мы видим их окрашенными в различные цвета. Так трава и
листья деревьев – зеленые, цветы – красные или синие или желтые или
фиолетовые. Есть также черные, белые, серые тела. Вс6е это не может не
вызывать удивление. Казалось бы, все тела освещены одним и тем же светом –
светом Солнца. Почему же различны их цвета
Будем исходить из того , что свет – электромагнитная волна, то
есть распространяющая переменное электромагнитное поле. В солнечном
свете содержаться волны, в которых электрическое и магнитное поля
колеблются с различными частотами.
Всякое же вещество состоит из атомов и молекул, содержащих
заряженые частицы, которые взаимодействуют друг с другом. Поскольку частицы
заряжены под действием электрического поля они могут двигаться, а если поле
переменное – то они могут совершать колебания, причем каждая частица в теле
имеет определенную собственную частоту колебаний.
Это простая, хотя не слишком точная картина позволит нам
понять, что происходит при взаимодействии света с веществом.
Когда на тело падает свет, электрическое поле, ‘принесенное’
им, заставляет заряженные частицы в теле совершать вынужденные колебания
(поле световой волны переменное). При этом у некоторых частиц их
собственная частота колебаний может совпадать с какой-то частотой колебаний
поля световой волны. Тогда, как известно, произойдет явление резонанса –
резкого увеличения амплитуды колебаний. При резонансе энергия, принесенная
волной, передается атомам тела, что в конечном счете вызывает его
нагревание. О свете, частота которого попала в резонанс говорят, что он
поглотился теплом.
Но какие то волны из падающего света не попадают в резонанс.
Однако они тоже заставляют колебаться с малой амплитудой. Эти частицы сами
становятся источником так называемых вторичных электромагнитных волн тлой
же частоты. Вторичные волны, складываясь с падающей волной, составляют
отраженный или проходящий свет.
Если тело непрозрачное, то поглощение и отражение все, что
может произойти с падающим на тело светом: не попавший в резонанс свет
отражается, попавший – поглощается. В этом и состоит “секрет” цветности
тел. Если например из состава падающего солнечного света в резонанс попали
колебания, соответствующий красному цвету, то в отраженном свете их не
будет. А наш глаз устроен так, что солнечный свет, лишенный своей красной
части, вызывает ощущение зеленого цвета. Окраска непрозрачных тел зависит,
таким образом, от того, какие частоты падающего света отсутствуют в свете,
отраженным телом.
Существуют тела, в которых заряженные частийы имеют так много
различных собственных частот колебаний, что каждая или почти каждая частота
в падающем свете попадает в резонанс. Тогда ведь падающий свет поглощается,
и отражаться просто нечему. Такие тела называют черными, то есть телами
черного цвета.
2.ОРГАНЫ ЗРЕНИЯ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ.
2.1Основные тенденции развития органов зрения в животном мире.
Органы многоклеточных животных (кроме губок),
обеспечивают восприятие световых раздражений. Основные элементы органов
зрения - светочувствительные клетки (фоторецепторы). Простые органы зрения
(например, у дождевых червей) состоят из светочувствительных клеток без
пигмента, рассеяных среди эпителиальных клеток наружного покрова. Они
воспринимают лишь изменения в интенсивности освещения и не реагируют на
направление падаюшего света. У пиявок образуются скопления
светочувствительных клеток, подостланные или заэкранированные пигментными
клетками, которые изолируют светочувствительные клетки от боковых лучей,
что позволяет различать не только интенсивность, но и направление падающего
света. У некоторых медуз и плоских червей органы зрения - разрозненные
светочувствительные клетки, концентрирующиеся в глазные пятна (стигмы).
Дальнейшее усложнение органов зрения привело к углублению эпителия глазного
пятна в глазной бокал. Если края его смыкаются, органы зрения принимают
форму пузырька, заполненного студнеобразным веществом, образующим
стекловидное тело. Такое постепенное развитие органов зрения характерно для
многощетинковых червей и молюсков. Зрительные клетки таких органов зрения
лежат под эпителием и вместе с пигментными клетками образуют сетчатку. У
многих членистоногих органы зрения представлены фасеточными глазами.
Дальнейшее усовершенствование пузырчатого органа зрения приводит к
увеличению числа фоторецепторов, появлению роговицы, радужной оболочки со
зрачком хрусталика, особого аккомодационного приспособления и мускулатуры,
служащей для движения самого глаза. Органы зрения развиваясь независимо в
различных филогенетических ветвях животного мира, на высших ступенях
приобретают сходное строение. При этом ведущим фактором эволюции органов
зрения по-видимому, была тенденция оптимального сочетания процессов как
большего использования энергии светового потока, таки улучшение
избирательной чувствительности
Каждое животное видит мир по-своему. Сидя в засаде,
лягушка видит только движущиеся предметы: насекомых, на которых они
охотятся, или своих врагов. Чтобы увидеть все остальное, она должна сама
начать двигаться.
Сумеречные и ночные животные (например, волки и другие
хищные звери), как правило, почти не различают цветов.
А вот стрекоза хорошо различает цвета, но только...
нижней половиной глаз. Верхняя половина смотрит в небо, на фоне которого
добыча и так хорошо заметна.
О хорошем зрении насекомых мы можем судить хотя бы по
красоте цветков растений - ведь эта красота предназначена природой именно
для насекомых-опылителей. Но мир, какими они его видят, сильно отличается
от привычного нам.
Цветки, которые опыляют пчелы, обычно не окрашены в
красный цвет: пчела этот цвет воспринимает, как мы - черный. Зато,
вероятно, многие невзрачные на наш взгляд цветы приобретают неожиданное
великолепие в ультрофиолетовом спектре, в котором видят насекомые. На
крыльях некоторых бабочек (например, лимонницы) имеются узоры, скрытые от
человеческого глаза и видимые только в ультрофиолетовых лучах.
Удивительным образом используют особенности зрения насекомых
некоторые пауки, поджидающие своих жертв внутри цветков. Разумеется,
будущая жертва, садясь на цветок, не должна замечать паука, между тем, на
брюшках многих таких пауков бросаются в глаза яркие красные пятна. Чем это
объяснить? Оказывается, когда на тех же пауков взглянули, так сказать,
глазами насекомых, пятна стали совершенно незаметными. Зато птицам, которые
могут склевать пауков, отпугивающие пятна заметны превосходно. Значит, паук
"загримирован" для насекомых, но "ярко раскрашен" для птиц.
Кстати говоря, насекомые определяют положение солнца,
чтобы находить дорогу, даже в пасмурные дни. Ультрафиолетовые лучи свободно
проходят сквозь слой облаков. Когда муравьев в ходе опыта стали облучать
сильными ультрафиолетовыми лучами, они побежали укрываться "в тень" не под
защиту пропускавшей ультрафиолет темной дощечки, а под прозрачное, на наш
взгляд, стекло, задерживающее эти лучи.
2.2. Цветовое зрение.
Важное свойство зрительного восприятия человека – видение в цвете –
объясняет теория цветного видения. Эта теория исходит из того, что в глазу
есть три типа светочувствительных приемников, отличающихся друг от друга
разной чувствительностью к разным частям спектра – красной, зеленой и сине-
голубой. Цветовое ощущение возникает в колбочках. Пока не установлено,
имеются ли приемники всех трех типов в каждой колбочке или существуют три
различных вида колбочек.
Глаз обычного человека может различать около 160 цветов.
Тренированный глаз художника и красильщика в состоянии различать свыше
10000 цветных тонов.
Встречаются люди (более 1% мужчин и около 0.1% женщин), зрение
которых характеризуется отсутствием приемников одного из указанных выше
типов. Еще реже (примерно один или миллион) встречаются люди, у которых
есть приемники лишь одного типа. Первая группа людей – дихроматы –
различают меньше цветов, чем люди с нормальным зрением; вторая –
монохроматы – совсем не различают цвета.
Для получения цветного ощущения важен не только спектральный
состав отраженного или испускаемого наблюдаемым объектом света, но и
мощность излучения других расположенных рядом предметов.
Цвет многое значит в нашей жизни. Механизм цветного воздействия
пока несет, хотя накоплено множество интересных экспериментальных факторов.
Известно, что красный цвет возбуждает, черный угнетает, зеленый
успокаивает, желтый создает хорошее настроение.
Способность человеческого организма реагировать на цвет –
основа одного из направлений натуртерапии – лечение природными средствами.
Доказано, что черный цвет может замедлить течение инсульта и малярии,
красный помогает при лечении бронхиальной астмы, кори, рожистых заболеваний
кожи, голубой замедляет пульс и понижает температуру. Больным глаукомой
полезно носит очки с зелеными стеклами, а гипертоникам – с дымчатыми.
Исследования показали, что при красном свете снижается слуховая
чувствительность человека, а при зеленом отмечено ее повышение. “Холодные”
тона стимулируют белковый обмен, а “теплые”, наоборот, тормозят. Если
школьный класс окрасить в белый, бежевый или коричневый тона, то улучшится
успеваемость и дисциплина учащихся. В производственных помещениях,
окрашенных в голубой и бежевые цвета, повышается производительность труда.
3.ЗРИТЕЛЬНЫЙ АНОЛИЗАТОР ЧЕЛОВЕКА
3.1Строение глаза.
Глаз – орган зрения, воспринимающий световые раздражения; является частью
зрительного анализатора, который включает также зрительный нерв и
зрительные центры, расположенные в коре головного мозга.
Глаз, глаз или глазное яблоко, имеет шаровидную форму и
помещается в костной воронке – глазнице. Сзади и с боков он защищен от
внешних воздействий костными стенками глазницы, а спереди – веками.
Веки представляют собой две кожные складки. В толще век
заложена плотная соединительно-тканная пластинка, а также круговая мышца,
замыкающая глазную щель. По свободному краю век растут ресницы (100 – 150
на верхнем веке и 50 – 70 на нижнем) и открываются протоки сальных железок.
Ресницы защищают глаз от попадания в него инородных тел (частиц пыли).
Внутренняя поверхность век и передняя часть глазного яблока, за исключением
роговицы, покрыта слизистой оболочкой – конъюнктивой. У верхненаружного
края глазницы расположена слезная железа, которая выделяет слезную
жидкость, омывающую глаз. Равномерному ее распределению на поверхности
глазного яблока способствует мигание век. Слезы, увлажняя глазное яблоко,
стекают по передней его поверхности к внутреннему углу глаза, где на
верхнем и нижнем веках имеются отверстия слезных канальцев (слезные точки),
вбирающие слезы. Слезные канальцы впадают в слезно носовой канал,
открывающийся в нижний носовой ход.
Движение глазного яблока и их согласованность осуществляются при помощи
шести глазных мышц. Глазное яблоко имеет несколько оболочек. Нижняя –
склера, или белочная оболочка, - плотная непрозрачная ткань белого цвета. В
передней части глаза она переходит в прозрачную роговицу, как бы
вставленную в склеру подобно часовому стеклу. Под склерой расположена
сосудистая оболочка глаза, состоящая из большого количества сосудов. В
переднем отделе глазного яблока сосудистая оболочка переходит в ресничное
(цилиарное) тело и радужную оболочку (радужку). В ресничном теле заложена
так называемая цилиарная мышца, связанная с хрусталиком (прозрачное
эластичное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы), и регулирующая его
кривизну. Радужка расположена за роговицей. В центре радужки имеется
круглое отверстие – зрачок. В радужке расположены мышцы, которые изменяют
величину зрачка, и в зависимости от этого в глаз попадает большее или
меньшее количество света. Ткань радужной оболочки сдержит особое красящее
вещество (пигмент) – меланин. В зависимости от его количества цвет радужки
колеблется от серого и голубого до коричневого, почти черного. Цветом
радужки определяется цвет глаз. При отсутствии в ней меланина лучи света
проникают в глаз не только через зрачок, но и через ткань радужки. При этом
глаза имеют красноватый оттенок. Недостаток пигмента в радужке часто
сочетается с недостаточной пигментацией остальных частей глаз, кожи, волос.
Таких людей называют альбиносами. Зрение у них обычно значительно понижено.
Между роговицей и радужкой, а также между радужкой и
хрусталиком имеются небольшие пространства, называемые соответственно
передней и задней камерами глаза. В них находится прозрачная жидкость – так
как называемая водянистая влага. Она снабжает питательными веществами
роговицу и хрусталик, которые лишены кровеносных сосудов. В глазу
происходит непрерывная циркуляция жидкости. Процесс ее обновления –
необходимое условие правильного питания тканей глаза. Количество
циркулирующей жидкости постоянно, что обеспечивает относительное
постоянство внутриглазного давления. Полость глаза позади хрусталика
заполнена прозрачной желеобразной массой – стекловидным телом. Внутренняя
поверхность глаза выстлана тонкой, весьма сложной по строению, оболочкой –
сетчаткой, или ретиной. Она содержит светочувствительные клетки, названные
по их форме колбочками и палочками. Нервные волокна, отходящие от этих
клеток, собираются вместе и образуют зрительный нерв, который направляется
в головной мозг.
Глаз человека представляет собой своеобразную оптическую
камеру, в которой можно выделить светочувствительный экран – сетчатку и
светопреломляющие среды, главным образом роговицу и хрусталик. Хрусталик
специальной связкой соединен с цилиарной мышцей, располагающейся широким
кольцом позади радужки. С помощью этой мышцы хрусталик меняет свою форму –
становится более или менее выпуклым и соответственно сильнее или слабее
преломляет попадающие в глаз лучи света. Это способность хрусталика
называется аккомодацией. Она позволяет отчетливо видеть предметы,
расположенные на различном расстоянии, обеспечивая совмещение фокуса
попадающих в глаз лучей от рассматриваемого предмета с сетчатой оболочкой.
Преломляющую способность глаза при покое аккомодации, то есть
когда хрусталик максимально уплощен, называют рефракцией глаза. Различают
три вида рефракции глаза: соразмерную (эмметропическую), дальнозоркую
(гиперметропическую) и близорукую (миопическую). В глазу соразмерной
рефракцией параллельный лучи, идущие от предметов, пересекаются на
сетчатке. Это обеспечивает отчетливое видение предмета. Дальнозоркий глаз
обладает относительно слабой преломляющей способностью. В нем параллельные
лучи, идущие от далеких предметов, пересекаются за сетчаткой.
В близоруком глазу параллельные лучи, идущие от далеких предметов
пересекаются впереди сетчатки, не доходя до нее.
Близорукий глаз хорошо видит только близко расположенные предметы. О
степени дальнозоркости или близорукости судят по оптической силе линзы;
приставленная к глазу в условиях покоя аккомодации, она так изменяет
направление попадающих в него параллельных лучей, что они пересекаются на
сетчатке. Оптическая сила линзы определяется в диоптриях. Различают
дальнозоркость и близорукость слабой степени (до 3 дптр), средней (от 4 до
6 дптр) и высокой (более 6 дптр). Рефракция обоих глаз не всегда бывает
одинаковой, например близорукость одного глаза и дальнозоркость другого
глаза или разная их степень на обоих глазах. Такое состояние называют
анизометропией.
Для ясного видения фокус попадающих в глаз лучей должен
совпадать с сетчаткой. Но это не единственное условие. Для различения
деталей предмета необходимо, чтобы его изображение попало на область
желтого пятна сетчатки, расположенную прямо против зрачка. Центральный
участок желтого пятна является местом наилучшего видения. Воображаемую
линию, соединяющую рассматриваемый предмет с центром желтого пятна,
называют зрительной линией, или зрительной осью, а способность одновременно
направлять на рассматриваемый предмет зрительные линии обоих глаз –
конвергенцией. Чем ближе зрительный объект, тем больше должна быть
конвергенция, то есть степень схождения зрительных линий. Между
аккомодацией и конвергенцией имеется известное соответствие: большее
напряжение аккомодацией требует большей степени конвергенции и, наоборот,
слабая аккомодация сопровождается меньшей степенью схождения зрительных
линий обоих глаз.
3.2 Оптическая система глаза.
Зная, как устроен глаз позвоночных, фотоаппарат можно изобрести
заново, настолько схожи основные принципы их устройства. Объектив нашего
глаза как и у фотоаппарата, составной. Одна часть, роговица, - с
неизменяемым фокусным расстоянием; другая, хрусталик, изменяет свою
кривизну, автоматически устанавливая резкое изображение того предмета,
который привлек наше внимание. О такой автоматике кино- и телеоператоры
могут только мечтать.
У осьминога и некоторых рыб кривизна хрусталика постоянна, и
они “наводят на резкость”, изменяя расстояние между хрусталиком и
сетчаткой; именно этот принцип используют конструкторы фотоаппаратов. У
моллюсков наутилус, живущих в тропических морях (другое название –
кораблики), совсем нет линз, и они обходятся маленьким отверстием в глазе.
Технический аналог – дырочка в стенке камеры-обскуры, фотоаппарата без
линз, который многие годы из нас сами мастерили в детстве.
Хрусталик по совместительству выполняет роль светофильтра. Он
не пропускает ультрафиолетовые лучи, которые могут повредить сетчатку, и
поэтому слегка желтый на просвет. С годами хрусталик желтеет сильнее, и
человек уже не видит всего богатства фиолетовой части спектра. Так что,
когда говорится о яркости мира ребенка, надо иметь в виду не только
психологическую свежесть восприятия, но и физически более широкий диапазон
цветовой информации. Между прочим, и слуховой диапазон у детей шире. Они
воспринимают ультразвук частотой до 40 кГц.
Но вернемся к зрению. Светосила нашего объектива (отношение
площади зрачка к квадрату фокусного расстояния) до 1:3 – это неплохо для
угла зрения около 100 в любой плоскости. У лучших фотообъективов светосила
0.8:1, но четкое изображение они дают только для угла около 45 . В прочем,
наш объектив фокусирует изображение не на плоскость, а на часть сферы, что
намного упрощает дело. Иногда из-за тех или иных дефектов глаза хрусталик
не в состоянии “навести на резкость”. Приходится ему помогать – носить
очки.
Чтобы делать хорошие снимки при разной освещенности, в
фотоаппарате предусмотрена диафрагма. В глазу ее роль выполняет радужная
оболочка – цветное колечко, середину которого называют зрачком. В
зависимости от освещенности наш зрачок автоматически меняет диаметр от 2 до
8 мм. Точно так же, как у фотоаппарата, при этом уменьшается глубина
резкости. Люди, страдающие близорукостью или дальнозоркостью в слабой
степени, хорошо знают, что на ярком свету они хорошо видят и без очков, а в
сумерках контуры предметов или букв расплываются.
Пигментный эпителий, расположенный за сетчаткой, эффективно
поглощает свет, чтобы уменьшить его рассеяние, иначе четкость изображения
ухудшилась бы. Все оптические приборы с той же целью чернят изнутри. В
глазах некоторых ночных животных светочувствительность увеличивается за
счет четкости изображения. У них глазное дно отражает лучи, прошедшие через
сетчатку. Так как оптическая плотность сетчатки равна 0.3 (около половины
падающего на нее света поглощается), то отражение от глазного дна
увеличивает количество поглощенного света еще на 25%.
Тем, кто пользуется зрением при низких освещенностях, вообще
нет смысла заботиться о четкости изображения. Шумы, обусловленные квантовой
природой света, накладывают жесткие ограничения на число деталей, которые
можно разглядеть при заданном контрасте и освещенности. Обсуждение этого
вопроса отняло бы слишком много места, но важно отметить, что зерно нашей
черно-белой “пленки” периферии сетчатки – имеет диаметр 30-40 мкм, что
соответствует требованиям, необходимым для различения в сумерках предметов,
если они отражают света на 10% больше, чем фон. При худшем освещении
сетчатка избыточна: зернистость изображения, обусловленная флуктуациям
светового потока, будет больше зрена сетчатки. При лучших освещенностях мы
переходим на цветную “пленку” – желтое пятно в центре сетчатки. Здесь
размер зерна около 2 мкм – это как раз размер дифракционного кольца,
соответствующего диаметра зрачка 2 мм. Таким образом, зерно “пленки”
соответствует максимально достижимому качеству изображения как при низких,
так при высоких освещенностях.
Отметим, что в отличие от фотоаппарата глаз обладает постоянным
временем экспозиции – около 0.1 секунды. У нас, правда, нет затвора. Время
экспозиции – это промежуток, в течение которого все фотоны, попавшие в
глаз, воспринимаются как одновременные. Поэтому две вспышки, интервал между
которыми меньше 0.1 секунды, мы воспринимаем как одну. Для того чтобы
определить это время поточнее, проводили такие эксперименты. Испытуемым
предъявляли вспышки равной энергии, но разной длительности и,
следовательно, различной интенсивности (мощности). При длительности вспышки
меньше 0.1 секунды объективное восприятие ее яркости не зависело от
длительности – весь свет воспринимался как мгновенная вспышка. При больших
длительностях восприятия яркости становится обратно пропорциональным
продолжительности вспышки, то есть определяется ее интенсивностью.
И наконец, роль колпачка играют веки, в один миг, в прямом
смысле этого слова, прикрывающие глазное яблоко при малейшей опасности.
(Миг длится приблизительно 0.1 секунда.) Слезные железы смывают пыль с
оптики и защищают глаз от бактерий. Таков наш природный оптический прибор.
3.3 Адаптация
В абсолютной темноте глаз ничего не видит. Речь пойдет об очень
слабом освещении: вечером в темной комнате, ночью на неосвещенной улице, в
поле или в лесу при свете луны и звезд. В этих условиях отражается от
предметов и попадает в наши глаза неизмеримо меньше света, чем солнечным,
ясным днем. Зрачки в темноте предельно расширены, но это не намного
увеличивает освещенность сетчатки. Расширение зрачков хотя и важный, но в
данном случае второстепенный приспособительный механизм. Большее значение
имеет он при ярком освещении, когда зрачки суживаются, ограничивая
количество света, падающего на сетчатку.
“Ничто не вечно под луной”…В конце 50-х годов были проведены
психофизические опыты, которые позволили специалистам предположить, что
адаптация не сводится лишь к изменениям концентрации зрительного пигмента
родопсина в фоторецепторах: процессы приспособления к разным условиям
яркости света гораздо сложнее, в них непременно должны участвовать и
нервные клетки сетчатки (надо сказать что, помимо палочек и колбочек,
сетчатка включает в себя по меньшей мере четыре различных типа нервных
клеток).
Подтверждение этой гипотезы не заставило себя ждать. На помощь
нейрофизиологам пришли микроэлектроды – тончайшие (в сотни раз тоньше
волоса) стеклянные трубочки, заполненные солевым раствором и соединенные с
усилителем биопотенциалов. Проводя такую “микропипетку” к отдельным нервным
клеткам и меняя при этом размер вспыхивающего на экране светового пятна,
исследователи убедились, что нейтроны сетчатки действительно активно
участвуют в процессе адаптации зрительной системы.
Под рецептивным полем нейтрона (и сетчатки, и подкорки, и коры)
понимают совокупность фоторецепторов сетчатки, сигналы с которых приходят к
данному нейтрону. Рецептивные поля есть у всех нейронов зрительной системы,
это как бы окошко, через которое нейтрон видит мир. Собственно, видят свет
в прямом смысле этого слова только фоторецепторы. Все другие зрительные
нейтроны воспринимают информацию в форме потока электрических импульсов,
бомбардирующих (не удивляйтесь, это обиходный нейрофизиологический термин)
их входы.
Только вот, у нейтронов разных отделов зрительной системы
рецептивные поля сильно различаются по размеру, а в коре человека, приматов
и хищных животных еще по форме. Нейтроны сетчатки и подкоркового
зрительного центра наблюдают мир как бы через круглые окошки-иллюминаторы.
Нейтроны сетчатки и подкоркового зрительного центра описывают
изображение поточечно. Это значит, что каждая нервная клетка этих структур,
глядя на мир через свое круглое рецептивное поле – точку, информирует о
событиях в ней высшие отделы системы.
Суть действий нейтронов-детекторов сводится к тому, что они как
бы разнимают на составные части, сводя к простым любое сложное изображение,
чтобы раздельно, независимо и параллельно проанализировать отдельные его
признаки. Естественно, что на следующих этапах переработки зрительной
информации происходит синтез перекодированных сведений в единый зрительный
образ, который затем сличается с “библиотекой” образов нашей памяти;
мозговые механизмы подают команду моторным центрам, оттуда идут приказы
речевой и мимической мускулатуре, и мы с широкой улыбкой восклицаем:
”Здравствуй, дорогой Петя!” или кисло мямлим: ”Ах это вы, Дарья Ивановна…”
До недавнего времени считалось, что свойства нейтронов-
детекторов зрительной коры жестко “запаяны”, то есть их реце | |
