眼球折光成像時晶狀體調節的模型制作

蔣晶晶

摘要：眼睛是身體中的一個非常重要的視覺器官，其中折光成像原理應用了物理中的光學原理，折光成像主要的結構是晶狀體。眼睛能通過睫狀肌的收縮和舒張來調節晶狀體的表面曲率，從而調節折光強度，確保成像在視網膜上清晰。這種調節過程在教學中一直是重點，同時也是難點。為在教學過程中學生更直觀理解掌握相關知識，我們小組應用物理及生物的知識，制作眼睛晶狀是如何調節以確保清晰成像的模型，希望能夠給教學帶來啟迪和幫助。

關鍵詞：眼睛；晶狀體；光學成像；模型制作

眼睛視物的基本原理是物體發出或反射的光線進入眼內，經過眼內相關結構—最主要是晶狀體的折射后，成像在視網膜上，視網膜上的感光細胞和神經元將光能轉化為生物電沖動傳到腦，引起視覺。要視清物體，在視網膜上成像清晰是關鍵，如若成像不清，將引起視物不清。距眼睛不同距離的物體發出或反射的光線進入眼內的角度不同，要求晶狀體折射光線的強度也不同，只有這樣才能保證在視網膜上成像清晰。經過長期的進化，動物和人類的眼睛形成了一套全自動高效的調節機制，確保不同距離的物體都能清晰成像在視網膜上。而這種調節機理從中學到大學，都是視覺機理要學習的重點和難點。我們的項目是就晶狀體的調節做了一個模型，以利用其在教學中幫助學生掌握晶狀體調節的過程。

1.眼球的基本結構

眼睛的主要結構是眼球，眼球包括眼球壁和內容物。眼球壁內由外層、中層和內層構成，其中中層有睫狀肌，能調節晶狀體的曲率，從而調節折光強度。內膜就是視網膜，成像后的能量轉換及相關沖動傳遞到大腦有關。內容物是主要的光折射成像結構，其中最主要是是晶狀體。

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

晶狀體懸韌帶又稱睫狀小帶，由一系列無彈性的堅韌纖維組成。從視網膜邊緣、睫狀體到達晶狀體赤道部附近，將晶狀體懸掛在生理位置上，同時協助睫狀肌作用于晶狀體而起到調節作用。

2.眼成像原理

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

眼睛成像是透鏡成像規律的重要應用。照相機與眼睛有相似的結構，眼球中的角膜和晶狀體的共同作用，相當于一個“凸透鏡”，視網膜相當于照相機的底片。眼睛能通過神經反射性調節，確保不同距離物體均能清晰成像在視網膜上，這種調節最后主要是通過調節晶狀體的曲率，也即折光強度來完成。從物體發出的光線經過人眼的凸透鏡在視網膜上形成倒立、縮小的實像，分布在視網膜上的視神經細胞受到光的刺激，把這個信號傳輸給大腦，經過處理使人可以看到這個物正像的了。

3.眼球晶狀體調節模型制作

考慮到晶狀體的調節作用，也為了便于觀察其調節強度，特使用模型加以解釋說明。

3.1模型的使用材料

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

3.2制作過程

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

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

4.模型的演示

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

演示眼視近物時，睫狀肌收縮，懸韌帶放松，晶狀體表面曲率增加，折光強度增強，能確保來自近物散射的光線聚焦在視網膜上，清晰成像。滑動PVC-U套管圓周上的滑槽，使圓直徑變小，示意睫狀肌收縮，同時通過充氣囊給氣球增加一定量的氣體，使氣球凸度明顯增加，示意睫狀肌收縮后，晶狀體的曲率增加，以增加對光線的折射強度。恢復PVC-U套管圓到最大直徑，同時通過充氣囊附近的排氣開關釋放掉部分氣體，使氣球凸度變小，示意睫狀肌舒張，晶狀體表面曲率變小，折光強度變弱。可以重復上面的演示，以提高學生對眼內睫狀肌收縮和舒張對晶狀體表面曲率調節的理解。

5.應用前景

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

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