水晶体はなぜ伸縮するのか

質問

こんばんは。物理をあまり学ばず大学生になった者です。
小学生にメガネの仕組みについて説明することになり、まず眼球の仕組みから思い出すことにしました。（生物はやりました）
しかし、受験から開放されて今改めて思うと、どうもよくわからない部分があります。
遠くを見ると水晶体は薄くなり、近くを見ると水晶体は厚くなり、ピントを合わせます。
そこから先はわかるのですが、水晶体に光が入るまでがよくわかりません。
色々調べてみてhttp://www.shokabo.co.jp/sp_opt/observe/eye/eye.htm
のようなホームページを見たのですが、
『遠近調節のしくみ』の図が納得できません。
「光は真っ直ぐ進む」と他の本で読んだのですが、この図の『普通にしているとき』『近くを見るとき』は真っ直ぐ進んでないと思います。
（斜めでも直線ではあると思いますが）
これは一体どうしてなのでしょうか？

よろしくお願いします。

回答No.4

nzw · ベストアンサー

物が見える仕組みや、レンズの説明を、ご紹介されているサイトのような図（レンズの光軸上にある点光源からの光線だけを表示する図）でおこなっている本は非常に多くあります。しかし、こういった図は間違いではないものの、わかりにくいのではないか、と常々思っております。
　ポイントは「ピントが合う」というのはどういうことかを理解することです。

　さて、あなたの目の前にはパソコンがあるはずですね。ここで、ちょっと頭を動かしてやや左から、次に右から、それにちょっと上から、最後にちょっと下からパソコンを見てください。どのようにしても、パソコンは見えますね。当たり前のように思われるかもしれませんが、ここが一つの大きなポイントです。
　物が見えるということは、物から出た光が目の中の視神経にまで到達するということです。真正面からだけでなく、頭を少し上下させたり左右させても見えたということは、物からの光が真正面だけでなく、そういった斜め方向にも同じように出ているということです。実際、物からの光は色々な方向に出ています。
　視神経というのは、光を感じる事ができるセンサーということで、デジカメのCCDと同じようなものです。デジカメの広告に何百万画素とか良く書かれていますが、これは、何百万という光センサーが並んでいるということです。網膜というのは、多数の視神経がならんだ、複数画素のセンサーです。ここでまず、画素が一つしかない場合を想像してください。画素の真正面にある物からの光は当然その画素に当たります。でも、先ほど頭を動かしてわかったように、少し上や下、左右といった別の場所にある物からの光もその画素に入って来ます。これではどんな物があるのかはわかりませんね。
　では、画素を増やしたらどうなるでしょう？物の形はやはりわからないというのが答です。だって、それぞれの画素に、やはり色んな物からの光がごちゃ混ぜに入りますから。したがって、網膜やCCDといった光センサーを複数画素並べただけのものでは物の形は見えないということになります。
　そこで、レンズの出番です。以下のサイトの結像の公式にある図をみてください。レンズ左側の前側焦点面の一点から出た赤い光は、後側焦点面の一点に集まります。ここで重要なのは、その下の点からでた青い光は、赤い光が集まっている所を通らず、後側焦点面の別の一点に集まっている点です。もしレンズがなければ、赤い光と青い光は後側焦点面のどこの位置でも混じり合っていたはずです。このように、レンズは前側焦点面にあるそれぞれの点から出た光を、後側焦点面のそれぞれべつの位置に集める役割を果たします。後側焦点面に網膜やCCDという光センサーを多数並べておけば、それぞれのセンサーに入ってくる光は、空間的に別々の位置に対応しますから、物の位置や形がわかるということになります。
　それでは、前側焦点面以外の場所から出た光はどうなるでしょうか？後側焦点面では一点に集まらないというのが答で、したがって、この場合はレンズが無い場合同様、それぞれのセンサーに、前側焦点面以外の位置にある色々な物質から出た光が混じって入って、物の形がわからなくなります。これが「ピントがずれた」状態です。逆に網膜やCCDなどに光が集まっている状態が「ピントがあった」状態です。

　図のaとbの距離の関係は、レンズの焦点距離fという値で決まっています。レンズを動かせる装置であれば、bをかえる事ができますので、ことなった距離に有る物にピントを合わせる為に、おなじfのレンズを動かす事で、遠くの物から近くの物までピントを合わせる事ができます。

目の場合、bの値はほぼ固定された物ですので、遠いところにあるもの（aが大きい場合）と、近いところにあるもの（aが小さい場合）を見る場合に、それぞれ異なった焦点距離のレンズが必要になります。これを水晶体の厚みをかえることで行っているのです。

　レンズが何故光を曲げられるのか？というのは、屈折という現象を利用しているからです。屈折についてはたしか小学校だか中学校でも習うはずですので、ここではあまり説明しません。

参考URL：

http://www.kazuhiro-yamada.com/photo/term.html

お礼

お礼が遅くなってしまい、申し訳ありません。
＞こういった図は間違いではないものの、わかりにくいのではないか、と常々思っております。
ここが諸悪の根源でした。もっと参考書等はわかりやすく書いてほしいです。
ありがとうございました。

回答No.3

ahoahoaho3

「光がまっすぐに進む」のは
「光が出発してから、出発した時の方向に直線的に進む」
ということです。絵にある、「普通にしているとき」「近くを見るとき」
でも光は物を出発して直線で目に届いています。

物を出発した光のうち目に届くのは、物から目に向かって出発した光のみです。

物が近くにあるときは、物から見て目の大きさが大きいので、色々な角度
で出発した光が目に入ります。

物が遠くにあるときは、物から見て目の大きさが小さいので、ちょうど
目の方向に向けて出発した光しか目に入りません。

絵の「遠くを見るとき」は非常に極端に全ての光が平行に書いてあります。

「普通にしているとき」の物から出ている三本の赤い線のうち上の線と
下の線の間の角度を測ってみて、「近くを見るとき」の角度と比較して
ください。「普通にしているとき」の方がちいさくなっています。

もっともっと、物が遠くなると、さらに角度が小さくなって三本の線が
同じ方向を向き、平行になります。これが、「遠くを見るとき」の絵です。

長くなりましたが、参考になれば幸いです。

お礼

お礼が遅くなってしまい、申し訳ありません。
＞絵の「遠くを見るとき」は非常に極端に全ての光が平行に書いてあります。
ここが納得できていなかったのが、諸悪の根源でした。
ありがとうございました。

回答No.2

te12889

私も文系です。だいぶ的をはずすと思いますが、ご容赦ください。

「太陽」は宇宙空間に浮かんで光を発しています。その方向は、宇宙の全ての方向になりますよね。

だから、ピントが合っている点に光源があるとすれば、そこからは水晶体まではまっすぐに来ていると考えてもいいかな、と思います。で、「レンズ」である水晶体で屈折させるということで。
（あー、論理になっていない・・・）

タイトルの「水晶体はなぜ伸縮するのか」については、「筋肉で動かしている」ってことで・・・。

補足

お礼が遅くなってしまい、申し訳ありません。
そうなのです、太陽光がまっすぐ描かれているところが納得できていなかったのです。
ありがとうございました。

回答No.1

ymmasayan

物質によって光の速度が変わります。これが光の屈折をもたらします。
ちょっと判りにくいですが↓の図を見てください。

まっすぐ進むのは同じ物質(物性が完全に同じ)のときです。

参考URL：

http://202.250.123.44/buturi/snell/snell.html

お礼

お礼が遅くなってしまい、申し訳ありません。
参考URLは少し難しかったのですが、参考になりました。
ありがとうございました。