В индивидуальной ученической работе по физике на тему «Расстояние от доски до парты» решается задача о выборе оптимального расстояния от доски до рабочего места учащегося для обеспечения нормальной остроты зрения. С этой целью в рамках исследовательского проекта проведено сравнение степени освещенности рабочего места в зависимости от его расположения относительно окна и доски.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательской работы по физике о расстоянии от парты до доски исследование остроты зрения каждого ученика проводится с помощью специально созданного прибора. Для этого в проекте на основании физического явления дифракции разработана специальная оптометрическая таблица для измерения остроты зрения испытуемого. Построены карты освещенности школьного кабинета с естественным и искусственным источником освещения. По результатам исследования учащимся даны рекомендации относительно оптимального размещения в классе.

Материалы данного исследовательского проекта по физике «Расстояние от доски до парты» содержат собственные исследования автора по созданию и применению адаптометра с целью посадки учеников в классе на оптимальном для их зрения расстоянии от доски, включая не только первую парту, но и остальные.

Оглавление

Введение
1. Создание адаптометра.
2. Разработка специальной оптометрической таблицы.
3. Проведение эксперимента.
4. Построение карт освещенности.
5. Результаты исследования.
Заключение
Список литературы

Согласно данным НИИ гигиены и профилактики заболеваний детей и подростков Российской Федерации у 25 - 33% учащихся существуют различные нарушения зрения, в том числе и нарушено функциональное состояние зрительного анализатора (светоощущение). Отмечено при этом, что к концу 11 класса количество школьников с пониженным зрением увеличивается в 5 раз (Г.Н. Сердюковская, Л.Г. Антонова, Л.М. Сухарева, 1991). Таким образом, перед классным руководителем стоит сложная задача рассадить учеников в классе согласно рекомендациям врача-офтальмолога.

Врач проводит измерение остроты зрения в специальном кабинете при фиксированной освещенности. Реальная освещенность в учебных кабинетах школы может сильно отличаться от стандартного значения в кабинете окулиста.

Цельюданной работы является исследование зависимости остроты зрения от освещенности.

В рамках данной работы сформулированы следующие задачи:

• создать адаптометр для исследования зависимости остроты зрения от освещенности. Устройство позволяет изучить в процессе темновой адаптации полную восприимчивость к свету, а также то, как меняется острота центрального зрения и другие зрительные функции;
• разработать узкоспециализированную оптометрическую таблицу для проверки остроты зрения;
• провести сравнение степени освещенности рабочего места в зависимости от его расположения относительно окна и доски;
• исследовать остроту зрения каждого ученика с помощью мобильной установки с использованием специальных оптометрических таблиц.

В результате выполненных исследований построены карты освещенности рабочих мест в учебных кабинетах гимназии.

На основании выполненной работы будут даны рекомендации классным руководителям по рассадке обучающихся для конкретных условий каждого кабинета.

Адаптометр – прибор для измерения точной количественной характеристики световой чувствительности глаза, а также предназначенный для изучения ряда других физиологических характеристик зрения [1]. Используется в офтальмологических клиниках и стоит порядка 50 тысяч рублей.

Не имея возможности приобрести такой прибор, было принято решение создать адаптометр своими руками.

Наше устройство представляет собой картонную коробку длиной 37, 5 см, шириной 15 см и высотой 22,5 см, обклеенную изнутри черной бархатной бумагой. Свет проникает через торцевое окно коробки, в которое вставлена специальная оптометрическая таблица. Окуляры выполнены с помощью мягких поролоновых черных трубок.

Измерение освещенности выполняется с помощью датчика освещенности (люксметра) из Цифровой лаборатории «Научные развлечения»[2].

Светочувствительный элемент расположен в торце датчика, который имеет диапазон чувствительности 0 – 600 лк. Электронный измеритель освещенности выполнен на базе фотодиода, имеющего кривую чувствительности, сходную с кривой чувствительности человеческого глаза. Поэтому данный измеритель оптимально подходит для нашего исследования.

Датчик освещенности размещаем вплотную к оптометрической таблице в нижней части адаптометра так, чтобы он не мешал ее восприятию. Плавное изменение освещенности осуществляется с помощью стопки светофильтров, последовательно вынимаемых из торцевого окна прибора.

Таким образом измеряется не степень освещенности поверхности, а яркость источника освещения.

Возможности, сделанного нами прибора, не ограничиваются измерением только остроты зрения. Он также может измерять контрастную чувствительность глаза, если вставить соответствующую оптометрическую таблицу.

Оптометрическая таблица для проверки контрастной чувствительности глаза.

С помощью адаптометра также можно изучать цветовое восприятие глаза при разной освещенности. Для этого необходимо использовать специальные оптометрические таблицы для проверки цветового зрения.

Человеческий глаз – основная часть зрительного анализатора. Изображение предметов мы видим потому, что лучи света проходят через роговицу и хрусталик, а затем фокусируются в одну точку на сетчатке [6]. На сетчатке расположены светочувствительные рецепторы: палочки и колбочки. Палочки работают при минимальном освещении и различают градации серого цвета. А колбочки действуют при ярком свете и различают красный, зеленый и синий цвета.

Наша способность видеть может быть описана на основе того, насколько хорошо мы можем различить две близко расположенные точки. Если два точечных источника разрешимы, то изображения на сетчатке не могут вызвать одинаковые отклики у соседних колбочек. Обязательно между этими двумя колбочками должна быть одна невозбужденная, которая дает окончательный эффект [3].

Физические границы разрешения обуславливаются явлением дифракции. Изображения двух источников будут еще видны раздельно, когда центральный дифракционный максимум одного из них совпадет с первым минимумом другого [3]. Угловое расстояние между такими источниками будет равно

где λ – длина световой волны, d– диаметр зрачка.

>

Иллюстрация разрешающей способности глаза. Разрешение считается полным, если максимум от одного источника совпадает с минимумом другого.

Теоретически, человеческий глаз с размером расширенного зрачка 6 мм может различить два точечных источника с длиной волны 600 нм, которые будут располагаться на угловом расстоянии 25ʺ. Если глаз может различить два точечных источника, расположенных на угловом расстоянии 3*10-4 рад, или 1ʼ, то говорят, что острота зрения равна 1 [3].

Основываясь на этом физическом принципе, мы решили создать специальную оптометрическую таблицу. Остроту зрения обычно измеряют с помощью зрительной карты, которая состоит из рядов символов различных размеров. В нашем случае символами являются линии, между которыми уменьшается расстояние.

Так как расстояние L от таблицы до глаза в созданном адаптометре равно 37,5 см, то требуется рассчитать расстояние d между линиями, различимые человеком с остротой зрения, равной единице.

Подставим вместо угла α минимально различимый угол, а вместо L длину адаптометра. И тогда получим минимальное расстояние.

Соответственно, расстояние между линиями, разрешимыми при остроте зрения V, равно:

Наша оптометрическая таблица содержит 10 строк, соответствующих разным значениям остроты зрения.

В каждой строке три серии по несколько линий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Такой подход исключает вероятность угадывания количества линий испытуемым.

Измерения проводились с помощью созданного адаптометра и постоянного источника света.

Исследование остроты зрения с помощью созданного адаптометра.

Измерения с помощью прибора начинаются при максимальной толщине светофильтров так, что свет практически не проникает в устройство. Адаптометр направляется в сторону стабильного источника света. Испытуемый должен смотреть внутрь устройства при максимальном затенении 2 – 3 минуты, вплотную приблизив глаза к отверстиям, адаптируясь к темноте [2]. По ходу эксперимента он не должен отрываться от наблюдения.

После каждого шага увеличения освещенности путем вынимания светофильтров, испытуемый должен назвать последовательность цифр, соответствующую количеству линий на данной строке. По количеству правильно считанных символов определяется острота зрения при данной освещенности.

Данные, полученные датчиком освещенности, представляются программой «Научные развлечения» [2] в виде графика зависимости освещенности от времени.

Необходимо выяснить какую именно величину измеряет наш датчик: яркость или освещенность.

Освещенность – это отношение светового потока (энергии за единицу времени), падающего на площадку, к величине этой площадки [4]. В системе СИ измеряется в люксах.

Яркость – это световой поток, испускаемый с единицы видимой величины поверхности источника, внутри единичного телесного угла [5]. Таким образом, в нашем случае датчик измеряет именно яркость. Но нужно понимать, что с фотометрической точки зрения приборы для измерения освещенности и яркости представляют собой один и тот же фотодиод, только градуировка происходит в разных шкалах. В нашем случае яркость прямо пропорциональна освещенности. Поэтому мы пользуемся датчиком, проградуированным в люксах, и говорим об освещенности, хотя на самом деле измеряемая величина, строго говоря, является яркостью.

Для каждого ученика строится график зависимости остроты зрения от освещенности.

Заметим, что при определенном значении освещенности у ученика осуществляется максимальная острота зрения. Значит, именно этому значению освещенности должно соответствовать его рабочее место. Это значение в дальнейшем будет сравниваться с картой освещенности учебного кабинета. После этого будет выбрано оптимальное место для каждого обучающегося.

Для построения карты освещенности класса были измерены все параметры кабинета (длина, ширина, расстояние до рабочих мест от доски и окон), а также освещенность в центре каждой парты.

Освещенность на партах измерялась с помощью цифрового мульти-тестера CEM DT-21, использующего в качестве фотодетектора кремниевый фотодиод. Цифровой мульти-тестер служит для измерения уровня шума, освещенности, влажности, температуры, а также постоянного и переменного напряжения, постоянного тока, сопротивления, проверки диодов и транзисторов.

Технические характеристики мульти-тестера для измерения освещенности:

• Пределы измерения: 0,1 / 20.000 люкс
• Погрешность: ±5.0% ±10D (для стандартной лампы накаливания с температурой свечения 2856 К)
• Воспроизведение: ±2%
• Температурная характеристика: ±0,1% /ºС.

Для построения карты освещенности класса использовалась специальная программа Surfer 11.

Одинаковые значения освещенности в программе соединяются изолиниями. В зависимости от погодных условий освещенность в кабинете меняется. Для сравнения была построена карта освещенности в кабинете физики в солнечный день с естественным источником света, а также карта освещенности в пасмурный день с искусственным источником освещения.

В результате сравнения получаем, что в ясный день наибольшая освещенность у окон, а в пасмурный на среднем ряду в центре класса, т.к. прямо над этим рядом находятся лампы искусственного освещения.

Для сравнения рассмотрим диаграмму остроты зрения ученика 1 и карты освещенности при естественном и искусственном источнике освещения.

У ученика 1 острота зрения, равная единице, начинается при освещенности 360 Лк. Значит, ему можно в солнечный день занять любое рабочее место, а в пасмурный день данному ученику будет комфортно за партами 2.1, 2.2, 2.3 и 2.4, расположенными в центре класса.

Заметим, что рекомендации врача-офтальмолога рассаживать учеников с дефектами зрения только за первые парты в классе не всегда оправданы.

Рассмотрим в качестве другого примера ученика с заведомо сниженной остротой зрения, со средней степенью миопии.

Ученик 5 достигает максимально возможной остроты зрения при освещенности 478 Лк. Значит, в пасмурный день при искусственном источнике света рекомендумые места в классе для него будут оптимальны 2.3 или 2.4.

Таким образом, используя индивидуальные диаграммы остроты зрения для каждого обучаемого в сравнении с картами освещенности различных школьных кабинетов, можно выдать рекомендации по оптимальной рассадке обучающихся в кабинетах.

1. В результате выполненного исследования создан специальный прибор адаптометр для изучения зависимости остроты зрения учащегося от освещенности класса.
2. Изучены физические предпосылки, связанные с явлением дифракции и разрешающей способностью глаза для восприятия двух близко расположенных объектов.
3. Создана специальная оптометрическая таблица для проверки остроты зрения учащегося.
4. Построены карты освещенности класса в условиях естественного и искусственного освещения.
5. Исследована острота зрения у шестерых испытуемых с использованием созданного адаптометра.
6. Выполнено сравнение индивидуальной диаграммы остроты зрения для каждого обучаемого с картами освещенности класса.
7. Даны рекомендации классным руководителям для оптимального размещения обучаемых в кабинете в зависимости от их остроты зрения.

1. А.А. Сивухин Методическое пособие к цифровой лаборатории «Физиология» - М.: «Научные развлечения», 2014. - 112 с.
2. Дж. Б. Мэрион Общая физика с биологическими примерами - М.: Высшая школа, 1986.
3. Д.С. Ландсберг Элементарный учебник физики Т. I. - М.: Наука, 1967.
4. Физический энциклопедический словарь, Москва «Советская энциклопедия», 1983 г.
5. Школьник Ю.К. Человек. Полная энциклопедия. –М.: Эксмо, 2010. - 256 с.