Science+ leerjaar 1
4 x 45 min, werk allen of in duo’s.
module 1: het oog
Je kijkt je ogen uit! Een uitdrukking die regelmatig gebruikt wordt als er veel te zien is. Denk maar aan de kermis of aan de Efteling. Toch zijn er ook momenten dat je niet zoveel ziet, bijvoorbeeld in het donker of als je slaapt. Deze module gaat over van alles wat met de ogen te maken heeft; de opbouw van een oog, hoe “kijk” je nu eigenlijk en op welke manier kun je je eigen ogen voor de gek houden. Je komt veel onderdelen tegen (diepte zien, gezichtsbedrog, microscopie) die in de andere modules nog een keer terug komen. Zo kun je ontdekken hoe de diverse science+ vakken (natuurkunde, scheikunde en biologie) dezelfde onderwerpen vaak op verschillende manieren onderzoeken.
Hoe ga je aan de slag? Lees de teksten aandachtig door, en bestudeer ook de afbeeldingen. Vervolgens maak je de opdrachten. Die opdrachten vind je aan het einde van elke deelonderwerp. Je werkt samen, maar dat betekent niet dat ieder de helft maakt. Samenwerken is overleggen over de antwoorden, maar wel zelf over alles blijven nadenken. Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
1
De volgende onderwerpen worden behandeld: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
De ogen goed beschermd. Bouw van het oog. Werking van het oog. Scherp kunnen zien. Lenzen of een bril. Diepte zien. Optische illusie.
Deze module wordt afgesloten met een schriftelijke toets. Voor de toets krijg je de antwoorden op de vragen uit deze module uitgedeeld.
1. De ogen goed beschermd. Je ogen zijn kwetsbaar. Gelukkig liggen ze goed beschermd in de oogkassen van je schedel. Maar het oog wordt op meerdere manieren beschermd. De wimpers en oogleden zorgen ervoor dat er niet gemakkelijk stofdeeltjes in het oog kunnen komen. De wenkbrauwen zorgen ervoor dat er geen zweet vanaf je voorhoofd in je ogen terecht kan komen. De oogbol zelf is ook sterk. De buitenste laag, het harde oogvlies, zorgt voor de stevigheid van de bol. Deze witte laag is aan de voorzijde gelukkig doorzichtig. De doorzichtige kant is ook stevig en wordt hoornvlies genoemd. In paragraaf 2 meer over de bouw van de oogbol en in paragraaf 3 over de bescherming tegen teveel licht en het voorkomen van uitdroging.
oogkas
afb. 1 – menselijke schedel
afb. 2 – dwarsdoorsnede oog, bovenaanzicht.
2. Bouw van het oog. De oogbol bestaat uit vele onderdelen. Allereerst bestaat de bol uit 3 lagen. De buitenste laag heet het harde oogvlies, de middelste laag het vaatvlies en de binnenste laag het netvlies. Op het netvlies liggen lichtgevoelige cellen die licht omzetten in elektrische signaaltjes, impulsen, die worden vervoerd naar de hersenen. Impulsen worden door zenuwcellen vervoerd. Al deze zenuwcellen samen vormen de oogzenuw. Door deze zenuw verlaten de impulsen het oog. Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
2
Door de oogspieren kun je je oogbol bewegen. Er zijn zes oogspieren per oog. Er zitten ook meerdere spieren in je oogbol. Zo heb je spieren die de vorm van de lens (tijdelijk) kunnen veranderen en zorgen andere spieren ervoor dat de juiste hoeveelheid licht in het oog komt. Het oog wordt grotendeels opgevuld met het glasachtig lichaam. Dit onderdeel zorgt ervoor dat het oog een bol blijft en stevig is. Het licht dat het oog binnenkomt via het hoornvlies gaat door de voorste oogkamer, valt door de pupil, gaat door de lens, door het glasachtig lichaam totdat het op het netvlies valt. Daar schijnt het op de lichtgevoelige cellen.
3. Werking van het oog. Licht dat op het oog valt zal door diverse onderdelen van het oog worden afgebogen. Het hoornvlies, de voorste oogkamer, maar vooral de ooglens buigen het licht af. De lichtstralen die precies midden op de lens vallen worden niet afgebogen; de lichtstralen die meer aan de rand van de lens het oog binnenkomen wel (zie bron 4). De lens buigt de lichtstralen zo af dat het beeld van het voorwerp ondersteboven op het netvlies komt. Gelukkig zorgen je hersenen er weer voor dat je niet alles op zijn kop ziet! De hersenen krijgen informatie van de zintuigcellen in de ogen. Hier liggen twee typen zintuigcellen: kegeltjes en staafjes. De staafjes geven informatie over of iets donker of licht is. Je kunt het vergelijken met zwartwit. De staafjes geven al impulsen aan de hersenen als er maar heel weinig licht is. Als het ’s avonds donker is kun je geen kleuren Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
afb. 3 – oogbol met oogspieren
Voorwerpen kunnen op twee manieren zichtbaar zijn. 1) lichtbron: De vlam van de kaars zendt zelf lichtstralen uit. De gaan alle kanten op. Voor de eenvoud zijn er afb. 3 – oogbol oogspieren hier slechts tweemet getekend in blauw. 2) weerkaatst licht: Licht van andere lichtbronnen weerkaatst op voorwerpen. De weerkaatste lichtstralen die ons netvlies bereiken zorgen ervoor dat het voorwerp zichtbaar is. Je ziet hier twee weerkaatste lichtstralen getekend in rood.
Lenswerking: De lens zorgt ervoor dat de lichtstralen weer netjes bij elkaar komen, precies op het netvlies. Dat geeft een scherp beeld. Het beeld staat wel ondersteboven. afb. 4 – lichtbreking door de ooglens
3
zien. Je ziet dan contrasten. De kegeltjes beginnen pas te werken als er meer licht is. Zij geven kleurinformatie door. Er zijn drie typen kegeltjes. De een is gevoelig voor rood licht, de ander voor groen en de laatste voor blauw licht. Toch kun je meer kleuren zien. In je hersenen worden de impulsen samengevoegd zodat je ook andere kleuren kunt ervaren. Bij wit licht worden alle drie de kegeltjes geactiveerd. De kegeltjes liggen in je gele vlek. Deze ligt in het midden van het netvlies, recht tegenover de pupil. Hier liggen zoveel kegeltjes zodat er bijna geen plaats is voor kegeltjes. Met dat deel van het oog kun je dus goed kleuren waarnemen en kun je gedetailleerd zien. De staafjes vind je juist op de rest van het netvlies. Als je recht vooruit kijkt valt het onderwerp op de gele vlek, waardoor je het onderwerp gedetailleerd kunt zien. In het donker kan je dus juist recht vooruit kijkend minder goed zien dan aan de randen. Je kunt namelijk tot wel 80 graden links en rechts om het centrum van het beeld zien. Dit noemen we het perifeer beeld. In module 11 over diepte zien komen we hier op terug. Als het donker zullen je ogen zoveel mogelijk licht opvangen. Dit gebeurt doordat de pupil dan groot is en zo de maximale hoeveelheid licht binnenlaat in het oog. Als er meer licht uit de omgeving op het oog valt zal de pupil kleiner worden.
kegeltjes
staafjes
kleuren zien 3 typen veel licht nodig / hoge drempelwaarde veel in gele vlek
contrasten zien 1 type weinig licht nodig / lage drempelwaarde veel naast gele vlek
bron 5 – kegeltjes en staafjes
Drempelwaarde De minimale prikkel waarbij een zintuigcel een impuls afgeeft wordt de drempelwaarde genoemd. bron 6 – drempelwaarde
afb. 7 – foto van netvlies met duidelijk zichtbare gele vlek
Werking van de pupil Bij zwak licht verwijdt de pupil zich om zo veel mogelijk licht op het lichtgevoelige netvlies toe te laten. Bij fel licht vernauwt hij zich. Deze processen worden gestuurd door twee sets spieren in de gekleurde iris.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Gespannen kringspieren Ontspannen radiale spieren Vernauwde pupil Ontspannen kringspieren Gespannen radiale spieren Verwijde pupil
bron 8 – de werking van de pupil
Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
4
4. Scherp kunnen zien. De lens in je oog zorgt er voor dat er een scherp beeld van het voorwerp waarnaar je kijkt op het netvlies komt. Je kunt niet alleen voorwerpen van dichtbij scherp zien, maar ook van veraf. Dat is mogelijk omdat de lens platter of boller kan worden. Met een bolle lens zie je voorwerpen van dichtbij scherp en met een platte lens zie je voorwerpen van veraf scherp. Het boller worden van de lens heet accommoderen en wordt uitgevoerd door een kringspier, het straallichaam. De lens hangt aan lensbandjes in het straalvormige lichaam (de spier dus). Als het straallichaam gespannen is, dan hangen de lensbandjes slap, en neemt de lens zijn natuurlijke vorm in. De lens is dan bol. Je kunt dan goed dichtbij zien. Als het straallichaam ontspannen is, dan staan de lensbandjes straks gespannen en trekken ze de ooglens platter. Zo kun je goed in de verte kijken. Je kunt dit gemakkelijk onthouden door te weten dat staren, in de verte, ontspannend is. Je hoeft het straallichaam immers niet aan te spannen!
bron 9 – accommoderen van de ooglens
bron 10 – accommoderen, de rol van het straallichaam
Soms is een voorwerp te dichtbij om het scherp te zien. Je lens kan niet nog boller worden. De afstand waarop je een voorwerp dichtbij nog net scherp kunt zien wordt nabijheidspunt genoemd. Als je ouder wordt neemt de elasticiteit van de oogbol af. Het oog kan dan minder bol worden. Je hebt dan problemen met dichtbij zien. Het nabijheidspunt verschuift dus met de jaren. Dat is de reden dat vele 50 jarigen met gestrekte armen de krant moeten lezen. Hoe kun je dit probleem oplossen?
Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
5
5. Lenzen of een bril? Je kunt veel oogproblemen oplossen door lenzen te gebruiken. Dit kan in de vorm van contactlenzen of een bril. Een lens helpt de ooglens met het afbuigen van licht. Het afbuigen van licht wordt lichtbreking genoemd. In bron 11 kun je zien hoe een lens ervoor kan zorgen dat een oog met een afwijking toch een scherp beeld op het netvlies kan krijgen. De meeste oogafwijkingen die door een lens gecorrigeerd kunnen worden veroorzaakt dat het oog niet helemaal bolvormig is. Het oogas is dan te lang of te kort. Als je jong bent kun je een kleine afwijking soms corrigeren door het straallichaam wat extra aan te spannen. Dit is wel vermoeiend en kan hoofdpijn veroorzaken. Een dragen van een bril of contactlenzen is in dat geval een oplossing. Een contactlens drijft op het hoornvlies. Er is een grote variatie aan contactlenzen. Zo heb je harde en zachte lenzen en is de ene weer meer zuurstofdoorlatend dan de ander. Een contactlensspecialist, opticien of optometrist kan je adviseren welke lenzen het best geschikt voor je zijn. Lenzen moeten goed schoon gemaakt worden. De poriën kunnen verstopt raken door eiwitresten en kunnen ook allerlei vervelende ontstekingen geven aan de ogen. Oudere mensen hebben vaak een leesbril nodig. Deze bril heeft ook “plus glazen”, zodat zij ook op korte afstand nog goed kunnen zien. Ook is het mogelijk een bril met een apart leesgedeelte te hebben. Dan heeft de onderkant van het glas een andere sterkte dan de bovenkant. We spreken dan van een multifocale bril of een varifocus bril. Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
A
B
C
D
E
F
A: goed werkend oog B: verziend oog, problemen met dichtbij zien C: verziend oog met positieve lens (bolle lens / + glas) D: bijziend oog, problemen met veraf zien E: bijziend oog met negatieve lens (holle lens / - glas) bron 11 – lichtbreking bij oogafwijkingen
bron 12 – leesbril
Bron 13 – multifocaal glas
6
6. Diepte zien. Eerst nog een klein proefje: zoek een voorwerp in de klas, niet te dichtbij, wat je gaat bekijken. Doe een hand voor je linkeroog en kijk naar het voorwerp. Beweeg je hoofd niet. Haal je hand van je linkeroog en doe hem voor je rechteroog, kijk nogmaals naar het voorwerp. Als het goed is, valt het op dat je twee keer net iets anders ziet (en is dat niet het geval, dan moet je de proef wel herhalen). Met beide ogen zie je het voorwerp, maar wat je eromheen ziet kan een beetje verschillend zijn. Je twee ogen zien dus niet helemaal hetzelfde. In je hersenen wordt het beeld van twee ogen samengevoegd tot één beeld. Je hebt bij biologie geleerd dat je hersenen uit twee delen bestaan. In beide delen van je hersenen komt een deel van beide beelden terecht en wordt daar verwerkt. Op die manier kun je diepte zien.
bron 14 – diepte zien
bron 15
7. Optische illusie De hersenen verwerken de impulsen die van de ogen afkomen. Dat gebeurt niet altijd helemaal goed. Dat heeft niets te maken met je ogen, maar wel met je verwachting, wat je denkt te gaan zien.
bron 16
Kijk naar de voorbeelden op deze pagina. 1. Het kleine meisje (bron 15) is tocht echt 2 keer even groot afgebeeld, meet maar na. 2. Wat staat er in het midden, 13 of B 3. Zijn dat knikkers op een plankje, of ... 4. Probeer maar eens zo’n doosje te timmeren...
bron 17
Tijdens de eerste Novumdagen zijn jullie bij de Escher tentoonstelling geweest. Zijn werken zijn goede voorbeelden van optische illusies. bron 18 Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
7
2. met andere ogen. De ogen van dieren. Wij mensen kunnen kleuren zien, een beetje zien in het donker en ook nog diepte zien. Lang niet alle dieren kunnen dat ook allemaal. Veel dieren hebben ogen die veel minder zien dan onze ogen, maar vaak hebben die dieren dat ook helemaal niet nodig en zijn ze op andere manieren toegerust om hun leven te lijden.
Verschillende soorten ogen. Oogvlekken zijn de meest eenvoudig ogen. Het zijn eigenlijk geen ogen, maar lichtgevoelige cellen. Alleen licht of donker wordt onderscheiden. Veel wormensoorten hebben deze oogvlekken. De oogvlekken zitten verspreid over het hele lichaam van de worm.
Bekerogen zijn oogvlekken in de vorm van een beker. Bijvoorbeeld slakken hebben bekerogen. Met deze ogen kan een slak bepalen uit welke richting het licht komt. Doordat de bekerogen op steeltjes zitten kan een slak om zich heen “ kijken”.
Facetogen of samengestelde ogen. Een heleboel piepkleine oogjes in een groep bij elkaar. Elk facetoog bestaat uit een lens met daarachter een lichtgevoelige cel. Insecten hebben facetogen. Ieder oogje ziet een apart beeld. Insecten zien de wereld waarschijnlijk als een mozaïek van stipjes. Hierdoor Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
8
kunnen ze wel heel goed bewegingen waarnemen. En hoe meer oogjes, hoe beter het beeld. Een libel heeft enorm goede facetogen met meer dan 30.000 oogjes. Daarmee ziet hij een beeld dat zo scherp is als een slechte grofkorrelige krantenfoto.
Spinnen (als voorbeeld) Een spin heeft acht ogen waarmee hij zijn omgeving in de gaten houdt. Deze acht ogen zijn niet allemaal hetzelfde. Zo heeft bijvoorbeeld de Jachtspin twee hoofdogen. Deze twee ogen zitten voor in de kop. De andere ogen zijn bijogen, die niet kunnen bewegen en twee aan twee verspreid over de kop zitten. Ze kijken in alle richtingen. Sommige paren zijn bedoeld om dichtbij te zien, andere veraf. Het is onbekend of de spin alle bij-ogen tegelijk gebruikt of dat hij steeds overschakelt naar een ander paar ogen.
Zoogdieren, vogels en vissen. Alle zoogdieren, vogels en vissen hebben ogen met een doorzichtig hoornvlies. Daarachter zit de pupil en de lens. De lens kan boller en platter worden, waardoor ze scherp kunnen zien. Niet alleen het soort ogen dat een dier heeft bepaalt wat hij of zij ziet, maar ook de plaats van de ogen. Bij ons mensen staan de ogen naar voren gericht, bij bijvoorbeeld een paard, staan de ogen veel meer aan de zijkant van het hoofd. Hoeveel je van de omgeving in een keer kunt zien wordt gezichtsveld genoemd.
Voor prooidieren, als konijnen, herten en vele anderen is het heel belangrijk dat ze een groot gezichtsveld hebben. Ze hebben dan een grotere kans om aan een roofdier te ontkomen. Een nadeel van een groot gezichtsveld is dat je weinig diepte ziet. Een roofdier
Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
9
heeft niet zo’n groot gezichtsveld, maar kan veel diepte zien. Op die manier kan het dier een juiste inschatting maken om een prooidier te kunnen vangen. Roofvogels zoals een buizerd of een torenvalk moeten vanaf grote hoogte een prooi vinden en vangen. Hun ogen staan dan ook recht van voren in de kop. De ogen van buizerds bevatten bovendien per vierkante millimeter netvlies 5 keer zoveel lichtgevoelige zintuigjes als op het netvlies in onze ogen. Per oog hebben buizerds ook nog twee gele vlekken: Een verlengde gele vlek, waardoor ze veel details kunnen zien uit een groot deel van de omgeving. Een cirkelvormige gele vlek precies in het verlengde van het blikveld waarmee ze diepte zien. Deze gele vlek werkt als een soort verrekijker. Roofvogels zien dus een uitgestrekt landschap met daarin in het midden een uitvergrote prooi. De tweede gele vlek werkt als een soort verrekijker.
Kleuren zien? Wij zien met de kegeltjes uit ons netvlies kleuren. Er zijn kegeltjes voor de kleuren rood groen en blauw. Doordat de informatie van kegeltjes in onze hersenen gecombineerd wordt zien wij veel meer kleuren. De meeste dieren zien kleuren niet zoals wij mensen die zien. Zij bezitten misschien maar twee soorten kegeltjes of missen bepaalde soorten kegeltjes. Paarden bijvoorbeeld onderscheiden alleen groentinten en grijstinten. Ze zijn in staat om hiermee gras te onderscheiden en dat is voor een paard belangrijk. Honden hebben kegeltjes voor groen en voor blauw, maar onderscheiden geen rode tinten. Katten hebben heel weinig kegeltjes en onderscheiden heel weinig kleuren. Bijen zijn in staat om ultraviolet licht te onderscheiden (de “kleur” waardoor wij mensen bruin worden). Op die manier kunnen bijen nectar in bloemen vinden. Op bloemen zit iets dat honingmerk wordt genoemd. Lijntjes die door UV licht zichtbaar worden voor de bij. Hierdoor weet de bij waar de nectar verstopt zit. Alle voorwerpen die warmer zijn dan hun omgeving zenden infrarode stralen uit. Dat wordt gevoeld als warmte. Sommige slangen (adders bijvoorbeeld) en veel vissen kunnen infrarode stralen zien.
Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
10
Adders hebben komvormige instulpingen tussen hun neus en hun ogen. In de instulpingen zitten warmtezintuigjes waarmee infrarood wordt waargenomen. Doordat de slang deze zintuigjes aan beide kanten van zijn neus heeft zitten, kan hij het infrarood met diepte waarnemen. Een slang kan zo een muis in het donker opmerken en bejagen.
Nachtdieren en zien. In het donker vangen kegeltjes te weinig licht op om een impuls op te wekken. Nachtdieren hebben daarom geen kegeltjes op het netvlies, alleen staafjes. Nachtdieren onderscheiden dus alleen grijstinten. Nachtdieren hebben nog een aantal aanpassingen om ’s nachts goed te kunnen zien. 1. Grote ogen, met pupillen die ook heel groot kunnen worden. Het beetje licht dat door de pupil op het netvlies valt, kan zo maximaal benut worden. Bijvoorbeeld kattenogen. 2. Nachtdieren kunnen enorm veel staafjes in het netvlies hebben, ook weer om zoveel mogelijk het licht dat wel aanwezig is te benutten. 3. Een soort van spiegel. Deze spiegel bestaat uit een laag speciale cellen die achter het netvlies zit. Deze laag cellen kaatst het licht nog een keer terug naar het netvlies. Zo vangt het netvlies het beetje licht extra goed op. Deze “ spiegel” kun je zien als de ogen van een kat of een konijn ’s avonds oplichten door bijvoorbeeld een lamp van een auto.
Bronnenlijst afbeeldingen: http://kingsenglish.info/wp-content/uploads/2011/06/eye.jpg http://artist-3d.com/free_3d_models/uploads/156Sightseeing.jpg http://www.3dscience.com/img/Products/3D_Models/Human_Anatomy/Skeletal/Human_Skull/skull.jpg http://projecthetoog.punt.nl/upload/oog_bouw.JPG http://www.hanzekliniek.nl/wp-content/uploads/2010/07/kijkopstaar04.jpg
www.campsoptiek.nl/fun/dierenkijk www.kennislink.nl www.hobbyplaza.info/koi/wormen.htm
Gymnasium Novum – science+ leerjaar 1 - module “het oog”
11
