Экзаменационная презентация по предмету Физика Руководитель проекта ИВАНОВА

Экзаменационная презентация по предмету: Физика Руководитель проекта: ИВАНОВА Е. Ю. Студент : Сухова А. П.

Актуальность выбранной темы : Познания в биофизики актуальны, как никогда. Наука не стоит на места и человек с каждым годом начинает лучше узнавать себя и окружающий мир. В этом лучшим помощником является зрение. Ведь именно благодаря нему мы видим происходящие процессы в мире, что помогает нам лучше познавать окружающую среду и тд.

Введение : Органами чувств, или анализаторами, называются приборы, посредством которых нервная система получает раздражения от внешней среды, а также от органов самого тела и воспринимает эти раздражения в виде ощущений. слуховой анализатор ухо. Показания органов чувств являются источниками представлений об окружающем нас мире. Процесс чувственного познания совершается у человека и животного по шести каналам: осязание, слух, зрение, вкус, обоняние, земное тяготение. Шесть органов чувств дают многообразную информацию об окружающем объективном мире, которая отражается в сознании в виде субъективных образов — ощущений, восприятий и представлений памяти.

Биофизика – это раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом; это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности. Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества. Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям. Биофизика — наука междисциплинарная и для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому биофизически ориентированные исследования проводятся не только в специализированных институтах, но также и в биологических, химических, фармакологических и медицинских.

История биофизики : Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам. Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.

Понятие об анализаторах : Организм и внешний мир – это единое целое. Восприятие окружающей нас среды происходит с помощью органов чувств или анализаторов. Еще Аристотелем были описаны пять основных чувств: зрение, слух, вкус, обоняние и осязание. Термин «анализатор» (разложение, расчленение) был введен И. П. Павловым в 1909 г. для обозначения совокупности образований, активность которых обеспечивает разложение и анализ в нервной системе раздражителей, воздействующих на организм. «Анализаторы – это такие аппараты, которые разлагают внешний мир на элементы и затем трансформируют раздражение в ощущение» (И. П. Павлов, 1911 – 1913).

Зрение человека (зрительное восприятие) — процесс психофизиологической обработки изображения объектов окружающего мира, осуществляемый зрительной системой, и позволяющий получать представление о величине, форме (перспективе) и цвете предметов, их взаимном расположении и расстоянии между ними. Человеческий глаз представляет из себя сложную систему, главной целью которой является наиболее точное восприятие, первоначальная обработка и передача информации, содержащейся в электромагнитном излучении видимого света. Все отдельные части глаза, а также клетки, их составляющие, служат максимально полному выполнению этой цели.

Физиология зрения человека : v Цветовое зрение : Ø У приматов (в том числе и человека) мутация вызвала появление дополнительного, третьего типа колбочек — цветовых рецепторов. Это было вызвано расширением экологической ниши млекопитающих, переходом части видов к дневному образу жизни, в том числе на деревьях. Мутация была вызвана появлением изменённой копии гена, отвечающего за восприятие средней, зелёночувствительной области спектра. Она обеспечила лучшее распознавание объектов «дневного мира» — плодов, цветов, листьев. Ø В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение. Видимый солнечный спектр:

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Ещё в 1970 -х годах было показано, что распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом, что было подтверждено более детальными исследованиями в начале XXI века. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета. § Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L. § Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗРЕНИЯ. Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют со бой весьма совершенную оптическую систему. Очевидно, что хорошее зрение возможно лишь при условии четкого и нормального функционирования всех структур столь сложно устроенного органа чувств, т. е. , с одной стороны предъявляются требования к четкости строения глаза как оптического прибора, с другой стороны – к «органической дееспособности» всех составляющих цепочки от глазного яблока до коры головного мозга. В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром око ло 2, 5 см, которое называют глазным яблоком. Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть — роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против ро говицы сосудистая оболоч ка переходит в радуж ную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы каме рой с прозрачной водяни стой массой. Основные функции глаза: Ø Оптическая система, проецирующая изображение. Ø Система, воспринимающая и "кодирующая" полученную информацию для головного мозга. Ø « Обслуживающая » система жизнеобеспечения.

Роговица прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза склерой. Передняя камера глаза это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью. структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких либо неполадках. Зрительный нерв при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг. Глазное яблоко – имеет шаровидную форму и состоит из трех оболочек. Первая, самая наружная фиброзная оболочка (иначе называется капсулой глаза), разделяется на две неравные части: непрозрачную белую склеру (т. н. белочная оболочка) и переднюю выпуклую, прозрачную – роговицу. К склере прикрепляются глазодвигательные мышцы, обеспечивающие движения глаз. Благодаря своей выпуклости роговица обладает высокой преломляющей способностью –более 40, 0 диоптрий, т. е. наибольшей по сравнению со всеми другими преломляющими Зрачок отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня средами глазного яблока, вместе взятыми. Кроме того, роговица освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок. имеет высокую чувствительность. Хрусталик "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза. Радужка по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой значит, в ней мало пигментных клеток, если карий много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток. Стекловидное тело гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза. Сетчатка состоит из фоторецепторов и нервных клеток. Клетки рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т. е. фотохимическая реакция. Склера непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов. Сосудистая оболочка выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных

Принцип работы глаза. Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние: где – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА. Глаз имеет не совсем правильную сферическую форму. Его вертикальный, горизонтальный и осевой размеры равны соответственно 23, 4; 23, 6; 24, 3 мм. Свет попадает в глаз через роговицу. Показатель преломления вещества 1, 376, радиус кривизны передней поверхности 7, 7, задней – 6, 8 мм. Эта часть глаза обладает наибольшими преломляющими свойствами: оптическая сила ее передней поверхности – 50 дптр. За роговицей находится хрусталик, представляющий собой двояковыпуклую линзу с радиусом кривизны передней поверхности 10, задней – 6 мм. Хрусталик состоит из пластинчатых слоев, неодинаковых как по радиусу кривизны, так и по показателю преломления. Общий показатель преломления вещества хрусталика 1, 414 -1, 424, оптическая сила в наиболее уплощенном состоянии 19, 1 дптр. Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено водянистой влагой, а внутренняя часть глаза – стекловидным телом – прозрачной гелеобразной массой, состоящей из внеклеточной жидкости с коллагеном и гиалуроновой кислотой в коллоидном растворе. Водянистая влага и стекловидное тело имеют показатель преломления 1, 336.

Внутренний слой глаза, содержащий зрительные элементы, называется сетчаткой. К сетчатке подходит зрительный нерв, отводящий нервные импульсы в зрительный центр головного мозга. В области примыкания зрительного нерва к сетчатке находится слепое пятно, нечувствительное к свету, а в середине сетчатки – область, где острота зрения при дневном освещении максимальна – желтое пятно. Через геометрический центр роговицы и хрусталика проходит главная оптическая ось ОО, а через центр хрусталика и желтое пятно – зрительная ось О'О'. Зрительная ось совпадает с направлением наилучшей светочувствительности. Угол между главной оптической и зрительной осями составляет примерно 5°. Рис. 1. Положение главной оптической ОО и зрительной О'О' осей.

Так как показатели преломления воздуха и внутренней среды глаза не равны, то : § Фокусные расстояния f 1 и f 2 не равны. Для сферической поверхности фокусные расстояния, как со стороны предметов, так и со стороны изображения могут быть вычислены по формуле: f = n 2 R/(n 2 -n 1), где n 1 – показатель преломления первой среды (из которой исходят параллельные лучи); n 2 – показатель преломления второй среды; R – радиус кривизны поверхности раздела двух сред. Соответственно оптическая сила сферической поверхности равна: D = 1/f = (n 2 -n 1)/n 2 R. Оптическая сила линзы с двумя преломляющими поверхностями: D = D 1+D 2 - d/n • D 1 D 2, где D 1 и D 2 – оптическая сила передней и задней поверхностей линзы соответственно; d – расстояние между ними; n – показатель преломления заключенной между ними среды. § Главные плоскости оптической системы глаза, перпендикулярные главной оптической оси и проходящие через главные точки Н 1 и Н 2, не совпадают. Н 1 и Н 2 – это точки, для которых линейное увеличение равно +1: Г = а 2: а 1 = +1, где а 1 – расстояние от предмета до линзы; а 2 – расстояние от линзы до изображения. § С главными плоскостями не совпадают плоскости, перпендикулярные главной оптической оси и проходящие через узловые точки N 1 и N 2. Для этих точек угловое увеличение равно 1: Z = tgφ2/tgφ1 = 1, где φ1 – угол раскрытия пучка лучей точки предмета; φ2 - угол раскрытия пучка лучей для сопряженной точки изображения. Рис. 2. Оптические системы глаза: F 1 и F 2 – фокусы; f 1 и f 2 – фокусные расстояния; H 1 и H 2 – главные точки; N 1 и N 2 – узловые точки. Расстояния даны в мм.

Чем дальше предмет удален от глаза, тем меньше его изображение на сетчатке. Наименьший угол зрения, при котором человек ещё способен видеть отдельно две различные точки предмета (угловая разрешающая способность), составляет примерно одну минуту. При расположении предмета на расстоянии 25 см линейная разрешающая способность человеческого глаза составляет 70 мкм, а размер изображения этих точек на сетчатке – 5 мкм, что, в свою очередь, равно среднему расстоянию между колбочками. Рис. 3. Построение изображения предмета на сетчатке глаза. Из геометрической оптики известно, что при равных показателях преломления среды с обеих сторон линзы справедливо соотношение ( f 1 : а 1) + ( f 2 : а 2) = 1. Поэтому для получения четкого изображения различно удаленных предметов должно изменяться либо расстояние а 2, либо фокусное расстояние f 2. В глазе человека реализуется последний способ. Возможность фокусирования на сетчатке изображений различно удаленных предметов за счет изменения кривизны хрусталика, особенно его передней поверхности, называется аккомодацией. Чем ближе расположен предмет, тем больше должна быть кривизна хрусталика и его оптическая сила.

Недостатки зрения. Ø Близоруким называется такой глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит внутри глаза. Близорукость может быть обусловлена большим удалением сетчатки от хрусталика по сравнению с нормальным глазом. Если предмет расположен на расстоянии 25 см от близорукого глаза, то изображение предмета получится не на сетчатке, а ближе к хрусталику, впереди сетчатки. Чтобы изображение оказалось на сетчатке, нужно приблизить предмет к глазу. Поэтому у близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см. Ø Дальнозорким называется глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит за сетчаткой. Дальнозоркость может быть обусловлена тем, что сетчатка расположена ближе к хрусталику по сравнению с нормальным глазом. Изображение предмета получается за сетчаткой такого глаза. Если предмет удалить от глаза, то изображение попадёт на сетчатку, отсюда и название этого недостатка - дальнозоркость.

• Разница в расположении сетчатки даже в пределах одного миллиметра уже может приводить к заметной близорукости или дальнозоркости. • Люди, имевшие в молодости нормальное зрение, в пожилом возрасте становятся дальнозоркими. Это объясняется тем, что мышцы, сжимающие хрусталик, ослабевают и способность к аккомодации уменьшается. Происходит это и из-за уплотнения хрусталика, теряющего способность сжиматься. • Близорукость и дальнозоркость устраняются применением линз. Изобретение очков явилось великим благом для людей, имеющих недостатки зрения.

Оптические системы, вооружающие глаз. Хотя глаз и не представляет собой тонкую линзу , в нем можно все же найти точку, через которую лучи проходят практически без преломления , т. е. точку, играющую роль оптического центра. Оптический центр глаза находится внутри хрусталика вблизи задней поверхности его. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза 15 мм. Коррекция изображения рассматриваемых предметов: а - угол зрения φ = S 1' S 2' / h = S 1 S 2 / D; б – при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сетчатке; N = b' / b = φ' / φ. где N – увеличение предмета ; b' – длина изображения на сетчатке для вооруженного глаза; b - длина изображения на сетчатке для невооруженного глаза; φ' – угол зрения при рассматривании предмета через оптический инструмент; φ – угол зрения при рассматривании предмета невооруженным глазом

ЗАКОН ВЕБЕРА И ПСИХОФИЗИЧЕСКИЙ ЗАКОН ВЕБЕРА-ФЕХНЕРА : Вебер первым обратил внимание (1834) на то, что порог различения бывает двояким — абсолютным и релятивным и что очень важно отличать их друг от друга. Абсолютным порогом различения называется прирост интенсивности раздражения, необходимый для достижения порога различения. q Минимальная яркость светового пятна, которую способен воспринять глаз на абсолютно черном фоне при полной световой адаптации, называется абсолютным порогом чувствительности. Для человека эта величина составляет (2, 1 -5, 7) • 10 -17 Дж. Это соответствует 58 -148 квантам сине-зеленого цвета. Минимальная обнаруживаемая разность между яркостью освещенного фона и яркостью светового пятна называется разностным порогом чувствительности. А отношение минимальной обнаруживаемой разности к яркости освещенного фона называется дифференциальным порогом. Согласно закону Вебера, дифференциальный порог остается постоянным при изменении яркости фона. Таким образом, величина разностного порога чувствительности увеличивается с увеличением яркости фона. Зависимость между интенсивностью ощущения и интенсивностью света описывается законом Вебера-Фехнера: если интенсивность света возрастает по логарифмическому закону, то интенсивность ощущения света растет линейно: ψ = k • ln I/I 0 где I – интенсивность света; I 0 – абсолютный порог чувствительности; k – константа. Этот закон носит также название психофизического закона Вебера-Фехнера.

ИЗОМЕРИЗАЦИЯ РЕТИНАЛЯ. Изомеризация ретиналя является первичным фотохимическим процессом. 1 – разрез глаза; 2 – колбочки; 3 – палочки (М-скопление митохондрий); 4 – диск наружного сегмента палочки; 5 – фрагмент мембраны диска со встроенной в неё молекулой родопсина; 6 – хромофорная группировка родопсина – ретиналь в 11 -цис и полностью трансконформациях.

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА : Для возникновения сигнала, передающего информацию о зрительном ощущении в мозг, необходимо изменение трансмембранного потенциала палочки. В состоянии покоя цитоплазматическая мембрана наружного сегмента палочек проницаема в основном для натрия, а не для калия. Поэтому в отличие от всех других известных клеток, цитоплазма наружного сегмента палочек заряжена положительно. Поглощение кванта света и следующие за ним фотопревращения родопсина приводят к тому, что проницаемость палочек для натрия уменьшается. Каждый поглощенный квант вызывает блокаду 100 -300 натриевых каналов. Предполагается, что механизмом передачи информации о фотолизе родопсина натриевым каналам является блокада, вызываемая внутриклеточными медиатороми, которые появляются при воздействии света на зрительные пигменты. Этими медиаторами являются ионы кальция и циклический 3'-5'гуанозинмонофосфат (ц. ГМФ). При возбуждении изменяется только проницаемость мембраны для натрия, для других ионов эта величина остается на прежнем уровне. Поэтому в условиях блокады натриевых каналов на первое место выступают калиевые. Диффузия К+ наружу из клетки в сторону меньшей концентрации вызывает появление там положительного заряда, а в клетке, наоборот, отрицательного.

ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СЕТЧАТКИ. 1. 2. Сразу после поглощения кванта света возникает ранний рецепторный потенциал (РРП) продолжительностью 1 мс. Через 1 мс после РРП возникает поздний рецепторный потенциал (ПРП), вызываемый уже не конфирмационными перестройками молекулы родопсина, а транспортом ионов через мембрану. Иногда вследствие генетических заболеваний нарушается синтез красного или зеленого йодопсина. Нарушение восприятия какого-либо цвета называется дальтонизмом. Так как информация о патологии цветового восприятия передается по наследству как рецессивный признак, сцепленный с Х-хромосомой, то дальтонизмом чаще всего страдают мужчины (примерно 8%) и гораздо реже женщины (менее 0, 4%).

Заключение : Глаз – очень сложная оптическая система. Зрительный анализатор человека, с каких бы позиций и с какими бы мерками мы не подходили к его оценке, представляется по истине уникальным творением природы. В настоящие время решить проблему остроты зрения помогают как сложные оптические системы, так и различные хирургические вмешательства. Благодаря творческому содружеству физиков, инженеров и представителей многих других областей знаний только за последние годы офтальмологи достигли выдающихся успехов в области микрохирургии глаза, контактологии (применение корригирующих и лечебных контактных линз), и лазерной хирургии. Научно-технический прогресс привел к значительному повышению нагрузки на зрение человека во всех сферах его деятельности. Высокие требования к зрению предъявляемые научно-технической революцией, с одной стороны, и громадные нагрузки на зрение и слух, вызывающие его нарушения, - с другой, приводят к возрастанию роли оптимальной коррекции нарушений рефракции в современном обществе и требуют интенсивного развития ее методов и средств. Основная информация об окружающем мире попадает к человеку посредством органы зрения – и, не имея этой адекватной оценки, человек становится инвалидом. Поэтому нужно по возможно беречь глаза – этот уникальный продукт творения природы.