Warum kann das Auge einer Katze die gesamte Außenwelt sehen?

„Einen Leoparden durch ein Bambusrohr sehen“ ist eine Redewendung, die bedeutet, dass man, wenn man einen Leoparden durch ein kleines Bambusrohr beobachtet, nicht das ganze Bild des Leoparden sieht, sondern nur einen Fleck auf seinem Körper.

Warum können wir nur einen Fleck sehen, wenn wir einen Leoparden durch ein Bambusrohr beobachten? Da der Querschnitt des Bambusrohrs nur eine bestimmte Größe hat, ist auch nur ein entsprechend großer Ausschnitt des Bildes zu sehen. Wenn wir ein kleines Loch in unsere Tür bohren, können wir durch dieses kleine Loch nur einen kleinen Teil des Bildes von draußen sehen. Wenn wir jedoch in diesem kleinen Loch ein „Guckloch“ installieren, ist die Situation völlig anders. „Katzenauge“, auch als Türspiegel bekannt, ist ein optisches Gerät, das es Menschen ermöglicht, die Außenumgebung vom Inneren des Hauses aus zu beobachten. Auch die Privatsphäre wird bei diesem kleinen Gerät voll berücksichtigt, d. h. man kann nur von innerhalb des Hauses nach draußen schauen, während Personen außerhalb des Hauses nicht sehen können, was im Haus vor sich geht.

Warum können wir den Leoparden durch eine Röhre nur flüchtig erkennen, während das Auge einer Katze das gesamte Bild außerhalb des Hauses erfassen kann? Warum können die Leute außerhalb des Hauses nicht nachsehen, was im Haus vor sich geht?

Generell können die Bilder der Objekte, die wir sehen, in zwei Kategorien unterteilt werden: reale Bilder und virtuelle Bilder. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei „Realbild“ um das reale Bild eines Objekts, das durch die tatsächliche Konvergenz von Licht entsteht, sodass das Realbild vom Lichtschirm empfangen und auf dem Lichtschirm dargestellt werden kann. „Virtuelles Bild“ ist, wie der Name schon sagt, das falsche Bild eines Objekts. Es handelt sich um das Bild, das am Schnittpunkt der umgekehrten Verlängerungslinie des reflektierten oder gebrochenen Lichts entsteht, nachdem das eigentliche Licht vom optischen Element reflektiert oder gebrochen wurde. Das virtuelle Bild ist nicht das tatsächliche Licht, daher kann der Lichtbildschirm es nicht empfangen, geschweige denn auf dem Lichtbildschirm darstellen. Der Grund, warum Menschen virtuelle Bilder sehen können, liegt natürlich darin, dass Licht in die Augen gelangt. Diese Strahlen stammen jedoch nicht von virtuellen Bildern, sondern von Licht, das von optischen Elementen reflektiert oder gebrochen wird.

Die Bilder, die wir durch die Linse sehen, sind alle virtuelle Bilder. Durch eine konvexe Linse können wir ein vergrößertes virtuelles Bild sehen, und durch eine konkave Linse können wir ein verkleinertes virtuelles Bild sehen.

Was also ist Katzenauge? Das Katzenauge ist eigentlich ein optisches System, das aus zwei Linsen besteht, wobei die konkave Linse als Objektivlinse fungiert (die Seite befindet sich in der Nähe der Tür) und die konvexe Linse als Okular fungiert (die Seite befindet sich in der Nähe des Hauses). Ohne den Einbau einer Linse ist beim Blick durch das kleine Loch in der Tür nur ein eingeschränktes Bild erkennbar. Nach dem Einbau eines Objektivs ist die Situation jedoch anders. Das Licht wird durch die Linse gebrochen, sodass wir ein breiteres Bild sehen können.

Wenn das Bild außerhalb der Tür durch das Katzenauge geht, passiert es zuerst die konkave Linse, die das Licht divergiert und dann auf der umgekehrten Verlängerungslinie des gebrochenen Lichts ein aufrechtes und verkleinertes virtuelles Bild bildet.

Als nächstes wird dieses aufrechte und verkleinerte virtuelle Bild durch die konvexe Linse geleitet. Die konvexe Linse hat die Funktion, das Licht zu bündeln, so dass das Licht nach dem Durchgang durch die konvexe Linse auf der Verlängerungslinie seiner Richtung ein aufrechtes und vergrößertes virtuelles Bild bildet. Natürlich ist dieses vergrößerte virtuelle Bild nur relativ zum verkleinerten virtuellen Bild, das die Konkavlinse darstellt, und es ist nicht so groß wie das Originalbild des Objekts. Dieses aufrechte und vergrößerte virtuelle Bild, das durch die Brechung durch die konvexe Linse erzeugt wird, ist das Bild, das wir durch das Katzenauge sehen. Glauben Sie, dass diese konvexe Linse etwas überflüssig ist? Es scheint, dass es lediglich eine vergrößernde Rolle spielt und dass seine Anwesenheit oder Abwesenheit unsere Gesamtsicht auf die Außenwelt nicht zu beeinflussen scheint. Keine Sorge, diese konvexe Linse hat tatsächlich noch eine andere Funktion.

Befindet sich auf dem Katzenauge lediglich eine konkave Linse, ist das Katzenauge bidirektional, das heißt, man kann von innen die Außenseite des Hauses beobachten und von außen in das Haus hineinschauen. Warum wird das Katzenauge nach dem Hinzufügen einer konvexen Linse einseitig?

Schauen wir uns an, wie es aussehen würde, wenn wir von außen einen Blick hineinwerfen würden. Umgekehrt wird das Bild des Objekts zunächst durch die konvexe Linse laufen. Das durch die konvexe Linse hindurchtretende Licht wird konvergiert, die Brennweite der konvexen Linse ist jedoch relativ lang, sodass die Abbildung noch nicht erreicht wurde. Das gebrochene Licht passiert die Konkavlinse erneut, und das durch die Konkavlinse hindurchtretende Licht divergiert, wodurch direkt auf der umgekehrten Verlängerungslinie ein aufrechtes virtuelles Bild entsteht. Ist es nicht immer noch ein Bild? Kannst du es draußen nicht sehen?

Es entsteht tatsächlich ein Bild, das theoretisch auch von außen sichtbar sein sollte. Das Problem besteht jedoch darin, dass das Katzenauge sehr klein ist. Wenn Sie also das Bild im Katzenauge sehen möchten, müssen Sie Ihre Augen nah an das Katzenauge halten. Zudem ist die Brennweite der Konkavlinse sehr kurz, sodass das Bild nur 2–3 cm vom Auge entfernt ist.

Hier müssen wir ein Konzept einführen, nämlich den „Nahpunkt des menschlichen Auges“. Der sogenannte „Nahpunkt des menschlichen Auges“ ist die kürzeste Entfernung, die das menschliche Auge scharf sehen kann. Unter normalen Umständen beträgt dieser Abstand etwa 10 cm. Offensichtlich sind 2–3 cm zu nah, sodass das, was Sie durch das Katzenauge sehen, nur verschwommen sein kann. Daraus lässt sich erkennen, dass im optischen System des Katzenauges sowohl konkave als auch konvexe Linsen unverzichtbar sind. Ohne eine konkave Linse können Sie die weite Welt nicht sehen, und ohne eine konvexe Linse wird das Katzenauge zu einem Zwei-Wege-Beobachtungssystem, was peinlich ist.

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