假設一簡化眼在空氣中的屈光狀態為正視眼,若將此簡化眼放入水中再重新測量其屈光狀態,此時屈光狀態應為何?
詳細解析
本題觀念
本題考的是眼睛由空氣進入水中時,界面折射率改變所造成的屈光力變化。正視眼的定義是:在放鬆調節、遠方平行光進入時,眼球的總屈光力能讓光線恰好在視網膜上成焦。這個狀態依賴眼球本身的屈光結構,也依賴眼前方的介質;介質一變,不能直接假設原本的正視狀態仍然成立。
角膜是眼睛最主要的屈光元件,尤其角膜前表面的空氣—角膜界面提供很大的折射力。空氣的折射率約為 1.00,角膜約為 1.37,兩者差距大,所以光線進入角膜時會明顯偏折。眼睛浸入水後,水的折射率約為 1.33,與角膜非常接近,空氣—角膜之間原本最大的折射率差大幅縮小,角膜屈光力因而顯著下降。總屈光力變小,焦點會由原來的視網膜位置向後移到視網膜後,表現為遠視,故選 B。
選項分析
A. 近視:錯誤。
近視是眼球總屈光力相對太強,或眼軸相對太長,使遠方平行光在抵達視網膜前就已經會聚成焦。入水後的主要變化是角膜屈光力減少,不是增加;平行光的會聚能力變弱,焦點會向後移,因此方向與近視相反。
B. 遠視:正確。
浸入水中後,水與角膜的折射率接近,角膜前表面的折射效果大幅減弱。原本在空氣中剛好落在視網膜的焦點,會因總屈光力下降而落到視網膜後方。這是遠視性屈光狀態的光學表現,因此本選項正確。
C. 散光:錯誤。
散光需要兩個互相垂直的主子午線具有不同屈光力,形成不同焦線。單純把眼睛周圍的介質由空氣改成水,會整體削弱角膜界面的折射力,但不會僅因介質改變就製造新的子午線差異;題目也沒有提供角膜兩方向不對稱的條件,所以不能判為散光。
D. 正視:錯誤。
正視要求平行光在放鬆調節時仍恰好聚焦於視網膜。原本的正視設定只適用於空氣中的屈光狀態;進入水後空氣—角膜界面的屈光力幾乎被中和,眼球總屈光力改變,焦點後移,故不再是正視。
答案解析
可用「折射率差」快速解題。眼睛由空氣進入水中時,角膜前方的介質折射率從約 1.00 增加到約 1.33,而角膜折射率約 1.37。水與角膜的數值接近,光線在水—角膜界面產生的偏折遠小於空氣—角膜界面。角膜不再提供原本那麼多的會聚屈光力,眼球的總屈光力下降。
對原本的正視眼而言,總屈光力下降代表相同的平行光需要更長距離才會聚;焦點因此落在視網膜後方。從屈光狀態看,這就是遠視。記憶時可抓住一句話:**水下角膜屈光力大幅減弱,空氣中正視眼會變成遠視。**答案依官方公告為 B。
核心知識點
- **正視眼:**遠方平行光在放鬆調節時恰好於視網膜成焦。
- **近視與遠視的焦點:**近視的平行光焦點在視網膜前;遠視的平行光焦點在視網膜後。
- **角膜的作用:**角膜提供眼睛大部分屈光力,其中角膜前表面的折射率差是重要來源。
- **介質改變的方向:**空氣換成水後,水與角膜的折射率更接近,界面折射力下降;不要把「水的折射率較高」誤解成眼睛總屈光力會增加。關鍵是兩種介質的折射率差變小。
- **解題流程:**先確認原本空氣中為正視,再判斷入水後角膜屈光力下降,最後推得焦點後移至視網膜後,結論是遠視。
- **散光辨識:**散光涉及不同主子午線屈光力不同;本題是整體折射力改變,沒有足以造成散光的方向性條件。