Оптические приборы
Лупа. Так называется двояковыпуклая линза, вставленная в оправу с ручкой. Лупу всегда располагают так, чтобы предмет отстоял от нее не дальше фокуса. Именно тогда лупа даст прямое и увеличенное изображение предмета. Лупа – самый древний оптический прибор.
Лучи, испущенные предметом и прошедшие через лупу, становятся расходящимися (рассмотрите направление хода красных или синих лучей). Поэтому лупа не может давать действительных изображений, например, на стене или экране. А мнимое изображение предмета в лупе может видеть лишь один человек, что не всегда удобно.
Проектор. Этот прибор предназначен для получения действительных увеличенных изображений предметов. То есть таких изображений, которые можно спроектировать на экран и, тем самым, сделать видимыми многим людям одновременно.
Схему проектора вы видите на чертеже. Свет лампы 1 при помощи вогнутого зеркала 2 направляется на слайд 3. Он расположен между фокусом и двойным фокусом линзы 4. В результате этого на экране 5 получается увеличенное действительное изображение слайда. Обратите внимание, что изображение слайда является перевернутым. Поэтому слайды в проектор всегда вставляют «вверх ногами».
Глаз. Орган зрения высших животных, в том числе и человека, является сложным оптическим прибором. Основные его части: 1 – склера (плотная оболочка глаза), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталлик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (пронизанная нервными рецепторами внутренняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.
Свет от рассматриваемого предмета, проходя в глаз, попадает на хрусталлик. Поскольку он является собирающей линзой, то на сетчатке глаза образуется изображение предмета. Светлые и темные части, из которых оно состоит, по-разному воздействуют на нервные рецепторы, пронизывающие сетчатку глаза. Эти воздействия по зрительному нерву попадают в головной мозг человека и воспринимаются им. Так протекает процесс зрения.
Одним из замечательных свойств хрусталлика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталлик растягивается и становится тоньше. Его преломляющая способность уменьшается, и мы можем четко видеть более удаленные предметы.
Очки. Этот оптический прибор предназначен для исправления таких дефектов зрения как дальнозоркость, близорукость и астигматизм. Рассмотрим это на примере близорукости. Такой глаз хорошо видит только близкие предметы. Их четкие изображения получаются именно на сетчатке глаза (верхний чертеж). Если же предмет удален, то его четкое изображение получается позади сетчатки, а на ней – нечеткое изображение (средний чертеж).
Поместим перед глазом рассеивающую линзу (нижний чертеж). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся, чем прежде. В результате он станет похож на тот пучок, который попадал в глаз на верхнем чертеже. Следовательно, четкое изображение рассматриваемого предмета (красной точки) вновь окажется на сетчатке глаза. Таким образом очки с рассеивающими линзами помогают близоруким людям четче видеть удаленные предметы.
Оптические приборы
Лупа. Это двояковыпуклая линза, предназначенная для рассматривания мелких предметов. Лупу всегда придвигают к предмету так, чтобы он располагался между ней и её фокусом. В этом случае лупа даёт прямое и увеличенное, хотя и при этом мнимое, изображение предмета.
Лучи, испущенные предметом и прошедшие через лупу, расходятся (см. чертёж). От кончика пламени мы провели «красные» лучи. Один – параллельно главной оптической оси линзы, второй – через её центр. Первый луч после преломления в линзе пройдёт через её фокус, а второй луч не изменит направление распространения. От основания свечи отходят два «синих» луча. Они проходят так же, как и красные – параллельно главной оптической оси линзы и через её оптический центр. И «красные», и «синие» лучи являются расходящимися. Поэтому лупа не может создавать изображений на экране; их нужно наблюдать только оптическим прибором: глазом, фотоаппаратом и т.п.
Проектор. В отличие от лупы, этот прибор предназначен для получения действительных изображений, которые можно спроецировать на экран и сделать видимыми многим зрителям одновременно (см. чертёж). Свет лампы 1 при помощи вогнутого зеркала 2 направляется на слайд 3. Он расположен между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы 4. Поэтому на экране 5 получается увеличенное действительное изображение.
Обратите внимание: красные лучи от верхней части слайда попадают в нижнюю часть экрана. И наоборот, синие лучи от нижней части слайда попадают в верхнюю часть экрана. Поэтому изображение на слайдах должно располагаться «вверх ногами».
Глаз. Орган зрения человека является сложным оптическим прибором. Основные части глаза: 1 – склера (плотная наружная оболочка), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (светочувствительная внутренняя задняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.
Свет от рассматриваемого предмета, попадая в глаз, проходит через хрусталик. Он является собирающей линзой, поэтому на сетчатке образуется действительное изображение предмета. Светлые и тёмные части, из которых оно образовано, по-разному воздействуют на нервные окончания, расположенные на сетчатке. Эти воздействия по зрительному нерву попадают в головной мозг, который «переворачивает» изображение и распознаёт его.
Одним из особенных свойств хрусталика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталик растягивается и становится менее выпуклым. При этом его преломляющая способность уменьшается, и мы можем чётко видеть более удалённые предметы.
Очки. Они предназначены для исправления таких дефектов зрения, как дальнозоркость и близорукость. Близорукий глаз хорошо видит только близкие предметы. Их чёткие изображения получаются на сетчатке глаза (чертёж «а»). Если же предмет далеко, то его чёткое изображение получается перед сетчаткой (чертёж «б»).
Для исправления близорукости поместим перед глазом рассеивающую линзу (чертёж «в»). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся. В результате он станет похожим на тот пучок, который попадал в глаз в случае «а». Следовательно, изображения окажутся на сетчатке, и близорукий человек отчетливо увидит далёкие предметы. Для дальнозорких людей нужны очки с собирающими линзами.
Оптические приборы для визуальных наблюдений
Для невооруженного глаза наименьший угол зрения приблизительно равен 1′. Этот угол определяется мозаичным строением сетчатки, а также волновыми свойствами света. Существует ряд приборов, предназначенных для увеличения угла зрения – лупа, микроскоп, зрительная труба. При визуальных наблюдениях глаз является неотъемлемой частью оптической системы, поэтому ход лучей в приборах, вооружающих глаз, зависит от аккомодации глаза. При анализе работы оптических приборов для визуальных наблюдений удобнее всего полагать, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность. Это означает, что лучи от каждой точки предмета, пройдя через прибор, попадают в глаз в виде параллельного пучка. В этих условиях понятие линейного увеличения теряет смысл. Отношение угла зрения φ при наблюдении предмета через оптический прибор к углу зрения ψ при наблюдении невооруженным глазом называется угловым увеличением:
Угловое увеличение является важной характеристикой оптических приборов для визуальных наблюдений.
Следует отметить, что в некоторых учебниках полагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на расстояние наилучшего зрения нормального глаза d0. В этом случае ход лучей в приборах несколько усложняется, но угловое увеличение прибора приближенно остается таким же, как и при аккомодации на бесконечность.
Лупа. Простейшим прибором для визуальных наблюдений является лупа. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (F ≈ 10 см). Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет – в ее фокальной плоскости. Предмет виден через лупу под углом
где h – размер предмета. При рассматривании этого же предмета невооруженным глазом его следует расположить на расстоянии d0 = 25 см наилучшего зрения нормального глаза. Предмет будет виден под углом
Отсюда следует, что угловое увеличение лупы равно
Линза с фокусным расстоянием 10 см дает увеличение в 2,5 раза. Работу лупы иллюстрирует рис. 3.5.1.
Действие лупы: а – предмет рассматривается невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения d0 = 25 см; б – предмет рассматривается через лупу с фокусным расстоянием F
Микроскоп. Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз – объектива O1 и окуляра O2 (рис. 3.5.2). Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от любой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.
Ход лучей в микроскопе
Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловое увеличение микроскопа принято считать положительной величиной.
Как следует из рис. 3.5.2, угол зрения φ предмета, рассматриваемого через окуляр в приближении малых углов,
Приближенно можно положить d ≈ F1 и f ≈ l, где l – расстояние между объективом и окуляром микроскопа («длина тубуса»). При рассматривании того же предмета невооруженным глазом
В результате формула для углового увеличения γ микроскопа приобретает вид
Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз. При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.
У реальных микроскопов объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.
Телескоп. Телескопы (зрительные трубы) предназначены для наблюдения удаленных объектов. Они состоят из двух линз – обращенной к предмету собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю. Зрительные трубы бывают двух типов:
• Зрительная труба Кеплера, предназначенная для астрономических наблюдений. Одна дает увеличенные перевернутые изображения удаленных предметов и поэтому неудобна для земных наблюдений.
• Зрительная труба Галилея, предназначенная для земных наблюдений, дающая увеличенные прямые изображения. Окуляром в трубе Галилея служит рассеивающая линза.
На рис. 3.5.3 изображен ход лучей в астрономическом телескопе. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность, поэтому лучи от любой точки удаленного предмета выходят из окуляра в виде параллельного пучка. Такой ход лучей называется телескопическим. В астрономической трубе телескопический ход лучей достигается при условии, что расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний l = F1 + F2.
Зрительная труба (телескоп) принято характеризовать угловым увеличением γ. В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя. Если удаленный предмет виден невооруженным глазом под углом ψ, а при наблюдении через телескоп под углом φ, то угловым увеличением называют отношение
Угловому увеличению γ, как и линейному увеличению Γ, можно приписать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Угловое увеличение астрономической трубы Кеплера отрицательно, а земной трубы Галилея положительно.
Угловое увеличение зрительных труб выражается через фокусные расстояния:
Телескопический ход лучей
В качестве объективов в больших астрономических телескопах применяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Хорошее зеркало проще изготовить, кроме того, зеркала, в отличие от линз, не обладают хроматической аберрацией.
У нас в стране в 1976 году на Северном Кавказе был построен самый большой на то время в мире телескоп с диаметром зеркала 6 м.
В 2007 году первый свет увидел телескоп Gran Telescopio Canarias на Канарских островах с диаметром зеркала 10,4 м, который является самым большим оптическим телескопом в мире по состоянию на первую половину 2009 года.
Следует иметь в виду, что большие астрономические телескопы предназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.
Оптика. Линза. Собирающая линза. Действительное и мнимое изображение.
Собирающая линза – это линза которая в средней части толще, чем по краям. Если на собирающую линзу попадает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после преломления в линзе они собираются в одной точке F, которую обозначают как главный фокус линзы.
Посредствам линз получится делать увеличенные и уменьшенные изображения объектов.
Опыты демонстрируют: отчётливое изображение формируется, когда объект, линза и экран размещены на определённых расстояниях друг от друга. В зависимости от их взаимного положения изображения могут быть перевёрнутыми или прямыми, увеличенными или уменьшенными, действительными или мнимыми.
Изображение, даваемое собирающей линзой, в зависимости от соотношения дистанции d от предмета до линзы и ее фокусным расстоянием F:
— d 2F – уменьшенное, перевернутое, действительное (предмет расположен за точкой двойного фокуса, пример – фотоаппарат, глаз).
Когда изображение действительное, его получится спроецировать на экран. В этом случае изображение будет видно из всякой точки комнаты, из которой виден экран.
Когда изображение мнимое, то его не получится спроецировать на экран, а можно только увидеть глазом, располагая его определённым образом по отношению к линзе (нужно смотреть «в неё»).
Оптические приборы
Они могут увеличивать, уменьшать, улучшать (в редких случаях ухудшать) качество изображения, дает возможность увидеть искомый предмет косвенно.
Термин «Оптические приборы» является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны.
Лупа — это двояковыпуклая линза, которая увеличивает угол зрения предметов. Фокусные расстояния луп обычно составляют 1—10 см. Для лупы с фокусным расстоянием 25 см увеличение составляет 2×, то есть лупа увеличивает изображение предмета в 2 раза. Для лупы с фокусным расстоянием 10 см увеличение составляет 3,5×.
Фотоаппарат, Кинокамера, Видеокамера — оптические приборы, позволяющие записывать неподвижное и движущееся изображение на фотоматериалах, магнитной ленте или в цифровой памяти.
Все они состоят из объектива и светонепроницаемой камеры. Объектив строит в кадровом окне камеры действительное изображение A’B’ предмета АВ. При получении изображения расстояние между предметом и линзой больше двойного фокуса линзы.
Увеличение линзы камеры определяется по формуле K = f/d.
Сохранение изображения имеет очень важное значение. Для этого в кадровом окне камеры располагают светочувствительный фотоматериал или полупроводниковую матрицу.
Микроскоп — это оптический прибор, показывающий в увеличенном виде очень мелкие, не видимые глазу, близко расположенные объекты. Микроскоп используется для наблюдения за такими мельчайшими объектами, как бактерии и клетки.
С помощью первой линзы, находящейся в объективе, создается обратное действительное изображение А’B’ предмета АВ. Вторая линза во втором окуляре микроскопа увеличивает угол зрения подобно лупе. В объективе микроскопа изображение А’B’, созданное первой линзой, на расстоянии наилучшего зрение D0, можно увидеть в ещё более увеличенном виде А»В».
Телескоп (от др.-греч. τῆλε — далеко + σκοπέω — смотрю) — прибор, предназначенный для наблюдения небесных тел.
В частности, под телескопом понимается оптическая телескопическая система, применяемая не обязательно для астрономических целей.
Перископ (от др.-греч. περι- — «вокруг» и σκοπέω — «смотрю») — прибор, позволяющий выносить точку обозрения наблюдателя за пределы его тела, например, для наблюдения за объектами из укрытия.
Проектор, Кинопроектор, Диапроектор, Эпидиаскоп — оптические приборы, предназначенные для оптического воспроизведения небольшого по размеру изображения на большом экране.
Псевдоскоп (Pseudoscope, греч., от рseudos — ложный, и skopein — смотреть) — прибор, создающий обратную перспективу.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Асфери́ческими называют линзы, одна или обе поверхности которых не являются сферическими.
