首先,以一道几何证明题开始:
已知:如图所示,矩形AOCE,OE为其对角线,延长AO至B,作BF⊥AB于B,延长EO与BF相交于F,连接CF交AB与D。求证:1/OA+1/OB=1/OD
证明:∵AOCE为矩形
∴CE‖AB
∴在ΔFCE中,OD:CE=OF:EF
∵CE=OA
∴OD:OA=OF:EF
∵AOCE为矩形
∴AE⊥AB
又∵BF⊥AB
∴AE‖BF
∴OF:EF=OB:AB
∴OD:OA=OB:AB
即OD:OA=OB:(OA+OB)
∴OA.OD+OB.OD=OA.OB
两边同除以OA.OB.OD,得
1/OA+1/OB=1/OD
在这个图中,你有没有看到什么物理模型呢?对!这便是光路图。AE是一根蜡烛,OC是凸透镜,BF是光屏,这是凸透镜成像的实验,EF是通过光心的光线,透过凸透镜光线的传播方向不发生改变,EC-CF是垂直射入凸透镜的光线,经过折射改变方向。图中表现了三个物理量,OA为物距s,OB是像距u,OD是焦距f。上述几何证明题阐述了三个物理量的联系:物距的倒数加像距的倒数等于焦距的倒数。即:1/s+1/u=1/f。
进一步联想,能想到什么模型呢?——眼睛!人眼就是利用凸透镜成像原理看清楚物体的,只不过晶状体(相当于凸透镜)可以改变屈光度来改变折射光线的程度,即焦距是可变的。
下面便进入正题,首先要介绍一个概念,并提出三点假设。
眼镜片度数(本文用D表示):近视镜是凹透镜,没有实焦点,只有虚焦点,于是凹透镜没有实焦距,而只有需焦距,需焦距用负数表示。眼镜片的度数定义为焦距的倒数(包括凸透镜和凹透镜),即D=1/f。
比如焦距为1m的凹透镜的镜片度数为-1.00(一般精确到0.01)。但是这和我们平时讲的镜片度数有很大差别,那我们平时讲的度数又是怎么回事呢?我们平时讲的度数是将上述计算结果取绝对值再扩大100倍,即D=100|1/f|。例如,焦距为0.5m的凹透镜的度数为200度,也就是说200度的近视镜的焦距是0.5m。其他度数依此类推。
假设条件:
1、本文所研究的眼是纯近视眼,不患有散光、弱视、青光眼等其他眼部疾病;
2、忽略配戴眼镜时,镜片和眼的距离。即假设眼镜片直接改变晶状体的屈光度;
3、假定近视眼的晶状体的度数=正常眼晶状体度数+近视镜片度数的绝对值。即度数可以叠加。
在以上假设条件下,就可以进行研究了!当眼部肌肉如遇完全松弛的状态时,晶状体的焦距最大,此时可以看清最远的距离。我们研究的就是这种情况。
设眼球与物体的距离为s(单位为m),即物距,视网膜与晶状体的距离为u(单位为m),此时晶状体的焦距为f(单位为m),该近视眼的近视度数为D(D为负数,单位为m-1)。
一只无近视症状的近视眼球,在完全松弛的情况下,晶状体的焦距f0等于像距u(平行光刚好汇聚在视网膜上),即f0=u;
则此时晶状体的度数D0=1/f0=1/u;
于是,上述近视眼的晶状体度数D1=D0-D=1/u-D;
根据透镜度数的定义得,
上述近视眼晶状体的焦距f=1/D1=1/(1/u-D) ①
由焦距、物距、像距的关系得,1/s+1/u=1/f ②
将①式代入②式得,1/s+1/u=1/u-D
化简可得 Ds=-1 ☆
其中,D为近视度数,s为眼球与物体的距离。其中D为负数,单位为m-1,s单位为m。
但是这里的D不是我们日常生活中说的度数,s的单位选取m也不是非常方便计算。于是,将D转化为日常生活中的“度数”,将s的单位化为cm,那么D与s在数值上满足下式:
Ds=10000
例如:当D=100时,s=100,表示近视100度的眼,能看清的最远距离是100cm;当D=400,s=25时,表示近视400度的眼,能看清的最远距离是25cm。
利用该公式,我们就可以根据自己的近视度数计算能看清的最远距离,也可以根据能看清的最远距离,计算近视度数了!
然而,该公式在实践上又有些许的局限性,原因在于:
1、无法排除散光等其他眼部疾病的干扰,因为该公式是在假定只患近视病的前提下得出的;
2、“看清”的标准无法具体确定,该式所讲述的“看清”是指物像刚好呈在视网膜上,无法通过人类的肢体器官感知;
3、在佩戴眼镜时,镜片和眼球之间会有距离,与假设条件不符。实践证明:当眼镜片刚好矫正视力时,镜片度数会略大于眼睛实际近视度数;(本人光学知识有限,暂且无法给出物理上的证明)
4、由于人眼的晶状体长期处于收缩状态,使得人眼难以在较短时间内恢复松弛状态,从而影响测试结果。
附:近视度数与视力的数量关系
声明:近视度数与视力的数量关系,仅仅是在实践的基础上,进行的估算,而没有严密的数学推导过程。于是不保证算式的准确性。
首先要了解视力的记录方法。目前,视力主要有两种记录方法:小数视力、对数视力。小数视力通常的范围是0.0-2.0,对数视力通常的范围是4.0-5.3。在小数视力中,若一只眼是近视眼,那么视力小于1.0,在对数视力中,若一只眼是近视眼,那么视力小于5.0。两种表示视力的方法,它们的数值之间有对应关系,例如1.0和5.0表示相同的视力,0.1和4.0表示相同的视力,0.12对应4.1,0.15对应4.2……
假设用x表示小数视力的数值,L表示对数视力的数值,那么两者的数量关系,近似满足下列算式:
L≈5+lgx
其中,lgx表示以10为底,x的对数,L和5+lgx仅仅是约等的关系,而未必完全相等。
有了视力表示方法的基本知识之后,下面就来阐述近视度数和视力的对应关系。
设近视度数为D,视力为L,其中,D就是日常生活中的那种说法的度数,L为用对数视力表示的视力。二者约满足如下关系:
L(2000+D)=10000,其中L<5.0,D≥0
当然了,需要说明的是,这仅仅是在实践基础上,估算的结果。由于本人光学知识有限,无法推导出具体的公式。