眼球折光成像时晶状体调节的模型制作

蒋晶晶

摘要：眼睛是身体中的一个非常重要的视觉器官，其中折光成像原理应用了物理中的光学原理，折光成像主要的结构是晶状体。眼睛能通过睫状肌的收缩和舒张来调节晶状体的表面曲率，从而调节折光强度，确保成像在视网膜上清晰。这种调节过程在教学中一直是重点，同时也是难点。为在教学过程中学生更直观理解掌握相关知识，我们小组应用物理及生物的知识，制作眼睛晶状是如何调节以确保清晰成像的模型，希望能够给教学带来启迪和帮助。

关键词：眼睛；晶状体；光学成像；模型制作

眼睛视物的基本原理是物体发出或反射的光线进入眼内，经过眼内相关结构—最主要是晶状体的折射后，成像在视网膜上，视网膜上的感光细胞和神经元将光能转化为生物电冲动传到脑，引起视觉。要视清物体，在视网膜上成像清晰是关键，如若成像不清，将引起视物不清。距眼睛不同距离的物体发出或反射的光线进入眼内的角度不同，要求晶状体折射光线的强度也不同，只有这样才能保证在视网膜上成像清晰。经过长期的进化，动物和人类的眼睛形成了一套全自动高效的调节机制，确保不同距离的物体都能清晰成像在视网膜上。而这种调节机理从中学到大学，都是视觉机理要学习的重点和难点。我们的项目是就晶状体的调节做了一个模型，以利用其在教学中帮助学生掌握晶状体调节的过程。

1.眼球的基本结构

眼睛的主要结构是眼球，眼球包括眼球壁和内容物。眼球壁内由外层、中层和内层构成，其中中层有睫状肌，能调节晶状体的曲率，从而调节折光强度。内膜就是视网膜，成像后的能量转换及相关冲动传递到大脑有关。内容物是主要的光折射成像结构，其中最主要是是晶状体。

晶状体（lens）是一个双凸透镜状的富于弹性的透明体。位于虹膜、瞳孔之后，玻璃体之前，借晶状体悬韧带与睫状体联系。晶状体后表面的凸度大于前表面，是重要的屈光间质之一。后表面中央叫后极，前表面中央叫前极，显露于瞳孔中央。前后两面交界处叫赤道。成人晶状体直径约9～10mm ，厚约4～5mm。

晶状体悬韧带又称睫状小带，由一系列无弹性的坚韧纤维组成。从视网膜边缘、睫状体到达晶状体赤道部附近，将晶状体悬挂在生理位置上，同时协助睫状肌作用于晶状体而起到调节作用。

2.眼成像原理

任何光都由以电磁波形式在空间传播的一个或者多个光子汇聚而成。人眼看到的景物是光源或者光源发出的光从物体上反射而成的光，人眼吸收这些光子并在脑子里成像就是你看到的景物了。有很多种方式产生光源，但所有这些方式都是利用原子激发的原理，当原子受到激发，其电子移至更高的轨道，每当电子从更高的轨道返回正常轨道时，就产生了光子。加热是激发原子的一种方法，比如白炽灯，通过电流对灯丝加热，来激发灯丝里面的原子；还有你看到铁在很热的时候是红色的，这个是铁原子的激发。光子照射到物体表面后，可能会被吸收、反射、折射或者散射，这都和物体的原子结构有关，不做深入分析。

眼睛成像是透镜成像规律的重要应用。照相机与眼睛有相似的结构，眼球中的角膜和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，视网膜相当于照相机的底片。眼睛能通过神经反射性调节，确保不同距离物体均能清晰成像在视网膜上，这种调节最后主要是通过调节晶状体的曲率，也即折光强度来完成。从物体发出的光线经过人眼的凸透镜在视网膜上形成倒立、缩小的实像，分布在视网膜上的视神经细胞受到光的刺激，把这个信号传输给大脑，经过处理使人可以看到这个物正像的了。

3.眼球晶状体调节模型制作

考虑到晶状体的调节作用，也为了便于观察其调节强度，特使用模型加以解释说明。

3.1模型的使用材料

PVC-U阻燃电工套管（直径20cm和15cm），气球，细铁细，小铁钉，橡皮筋，塑胶导管，充气囊。

3.2制作过程

分别将直径为20cm和15cm的二段PVC-U阻燃电工套管弯成一定直径（本模型约30cm）的半圆形，截取大半圆周长，将两段管端分别套在一起，一端二管穿插部位用小铁钉固定，另一端在大口径管子近端口处用剪刀演纵向将其切开约5公分長的开口（管子对面二侧），在穿过开口的小管近端部位用小铁钉固定，以使小管在大管内可以滑动。该结构作为眼内睫状肌的模型，滑动示意睫状肌的收缩和舒张，起到调节晶状体表面曲率的作用。

用铁丝做成直径约15cm的圆圈，将其小心放入到气球内，先充一定的气体，以调整铁丝圆圈在气球内的位置，使其位于气球边缘，并使圆圈成近似的正圆形。经多次调整后，气球充一定量的气体，使气球成凸透镜状。取气球边缘多点，通过橡皮筋固定在PVC-U做成的圆管上，基本均匀分布，这结构示意悬韧带（一端连着睫状肌的睫状突一端连在晶状体上）。气球示意晶状体。通过气球的充气口连接塑胶导管，再接充气囊。通过充气囊的充气和放气来调节气球的充盈度，以示意在睫状肌收缩或舒张时，晶状体表面曲率的变化。

4.模型的演示

演示前，先通过充气囊给气球充一定的气体，使期成比较明显凸镜状，这时凸镜状的气球示意晶状体。将由PVC-U套管做成的圆活动端滑到最外端，使圆的直径最大。演示时，说明模型这时的状态是示意眼睛视远物，睫状肌舒张，悬韧带被拉紧，晶状体表面曲率变小，折光强度变弱，远物反射或发出来的平行光线，经较扁平的晶状体折射后，能确保成像在视网膜上清晰。

演示眼视近物时，睫状肌收缩，悬韧带放松，晶状体表面曲率增加，折光强度增强，能确保来自近物散射的光线聚焦在视网膜上，清晰成像。滑动PVC-U套管圆周上的滑槽，使圆直径变小，示意睫状肌收缩，同时通过充气囊给气球增加一定量的气体，使气球凸度明显增加，示意睫状肌收缩后，晶状体的曲率增加，以增加对光线的折射强度。恢复PVC-U套管圆到最大直径，同时通过充气囊附近的排气开关释放掉部分气体，使气球凸度变小，示意睫状肌舒张，晶状体表面曲率变小，折光强度变弱。可以重复上面的演示，以提高学生对眼内睫状肌收缩和舒张对晶状体表面曲率调节的理解。

5.应用前景

众所周知，我们会在初中的科学及大学生理学上学习眼睛的结构以及其用到的光学原理。但是现在的眼球模型只是给我们展示一下眼球的结构，并没有结合如何通过调节晶状体的表面曲率来保证物体清晰成像在视网膜上的展示。睫状肌的收缩增加晶状体的曲率，近视物，而舒张减小曲率，远视物，这一直是学生理解上的难点，也是正确保护眼镜，防止近视的关键所在。故而，我们小组利用所学的物理和生物知识，提出了制作这种模型。希望我们的方法能给大家以启发，使广大的学子能够更加直观，更加清楚的理解眼睛是如何调节成像的同时，也可以帮助老师们的教学，使课堂变得更加有趣味。

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