Оптические приборы

Ключевые слова: оптические приборы, лупа, камера-обскура, фотоаппарат, микроскоп, телескоп.

На этом уроке вы научитесь:

• описывать принцип действия простейших оптических приборов;
• конструировать простые оптические приборы (перископ, камера-обскура и т. д.).

Законы геометрической оптики лежат в основе действия разнообразных оптических приборов, основной частью которых является некоторая оптическая система, которая формирует изображение предмета. В зависимости от назначения различают следующие оптические приборы: проекционная аппаратура, микроскопы, телескопы, фотоаппараты и др.

Лупа. Для того чтобы различить мелкие детали рассматриваемого предмета, угол зрения должен быть большим. Увеличение угла зрения можно достигнуть приближением предмета к глазу, что обеспечивается с помощью оптических приборов. Большему углу зрения соответствует и большее изображение на сетчатке глаза. Простейший прибор, позволяющий рассматривать мелкие предметы, представляет собой собирающую короткофокусную линзу ($F \approx 10$ см). Эту линзу называют лупой. Лупу, как правило, помещают близко к глазу, а рассматриваемый предмет располагают в ее фокальной плоскости (рис. 42.1). При этом изображение на сетчатке получается без напряжения глаза. Увеличение, даваемое лупой, ограничено ее размерами. Нам известно, что линза с большой оптической силой — сильно выпуклая линза. Из-за этого размеры лупы приходится уменьшать, что ограничивает поле зрения и затрудняет пользование лупой. Именно поэтому лупы с увеличением более чем в 40 раз не применяются.

Лупами пользуются часовые мастера, геологи, ботаники, криминалисты, филателисты.

Рис. 42.1

Это интересно! Камера-обскура (с латинского camera obscura — «темная комната») — простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов. Представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стенке. Лучи света, проходя сквозь отверстие диаметром около 0,5—5 мм, создают перевернутое изображение на экране (рис. 42.2). На основе камеры-обскура были сделаны некоторые фотокамеры.

Впервые о камере-обскура упоминается в работах китайских философов в V веке, которые получили перевернутое изображение на стене затемненной комнаты. В X веке арабский ученый Ибн Аль-Хайсам (Альгазен) из Басры пользовался специальными палатками для наблюдений за затмениями Солнца, в которых рассматривал изображения Солнца на противоположной стенке. Альгазен был первым, кто объяснил принцип действия камеры-обскура, основываясь на принципе прямолинейности распространения света. В средние века камера-обскура неоднократно использовалась для астрономических наблюдений.

Рис. 42.2

Опыт. Вы можете самостоятельно изготовить камеру-обскура. Для этого необходимы картонный ящик, блестящая бумага для обертывания шоколада, скотч, белая бумага, канцелярская игла, канцелярский нож.

1. В боковой стороне картонного ящика ножом вырежьте прямоугольное отверстие.
2. Это отверстие закройте блестящей бумагой, предварительно проделав в ней щель.
3. Внутри ящика на противоположной отверстию стороне прикрепите белую бумагу, которая будет служить экраном. На экране будет видно изображение как на рисунке 42.3.
4. На дне одного из ящиков вырежьте отверстие, чтобы проходила голова; все вокруг закрепите скотчем, чтобы не проходил свет. Ваша камера-обскура готова. Повернув щель к предмету, увидите на экране изображение предмета.

Если на экране закрепить фотопленку, то можно получить фотографию предмета. Камера-обскура превращается в фотокамеру.

Рис. 42.3

Перископ. Еще один оптический прибор — перископ (с древнегреческого «пери» — «вокруг» и «скопео» — «смотрю») — оптический прибор для наблюдения из укрытия. Этот прибор легко изготовить самостоятельно.

Необходимый материал для изготовления перископа: любая бумажная коробка, два плоских зеркала одинакового размера, скотч, канцелярский нож, ножницы, линейка, простой карандаш (рис. 42.4, а).

Порядок выполнения работы: с двух краев коробки отмерьте по 3 см и отогните под прямым углом. Закрепите отогнутые края скотчем (рис. 42.4, б) и в них, также при помощи скотча установите зеркала, причем зеркальная сторона должна быть обращена к коробке (рис. 42.4, в). Перископ готов. Теперь поставьте его вертикально. Направьте верхний край перископа на предмет, нижним краем следите за изображением (рис. 42.4, г).

Рис. 42.4

Проекционные оптические приборы. К проекционным приборам относятся оптические приборы, дающие на экране действительное, увеличенное изображение предмета (рис. 42.5). Различают три вида этих приборов: диаскоп (от лат. диа — «прозрачный»), служащий для проектирования прозрачных предметов на экран; эпископ, проектирующий на экран непрозрачные предметы, и эпидиаскоп, проектирующий и прозрачные, и непрозрачные предметы. Во всех случаях предмет помещают между фокусом и двойным фокусом объектива. Чем ближе предмет к фокусу, тем большее увеличение дает проекционный аппарат. В диаскопе имеется мощный источник света, световой поток от которого направляется с помощью конденсора (системы линз) на диапозитив (прозрачный объект). Для увеличения светового потока иногда за источником света устанавливают вогнутое зеркало, которое отражает свет и направляет его обратно в систему линз. Конденсор устанавливают так, чтобы он давал изображение небольшого источника света на объектив, который в свою очередь проектирует диапозитив на экран.

Рис. 42.5. а) эпидиаскоп; б) кодоскоп; в) диапроектор; г) фильмоскопы

Подумайте, почему предметы необходимо помещать между фокусом и двойным фокусом? Подтвердите свои соображения графическим решением.

Для демонстрации непрозрачных предметов, например, рисунков в книге, их сильно освещают с помощью лучей, идущих от лампы, помещенной в фокус вогнутого зеркала. Далее световой поток, отражаясь от рисунка, попадает на плоское зеркало, а от него с помощью светосильного объектива на экран. Такой прибор называется эпископом.

Фотоаппарат. Фотоаппарат — это оптическое устройство с линзовой системой, с помощью которой получают изображение предмета на светочувствительной пленке, сохраняющей изображение. Основные части фотоаппарата: объектив, непрозрачная камера, фотопленка (рис. 42.6). Объектив представляет собой сложную систему линз, предназначенную для проектирования изображения на фотопленку. С помощью объектива проектируют изображение предмета на фотопленку. На плоскости фотопленки получается действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Под действием световой энергии на фотопленке происходит разложение бромистого серебра и образуется негатив.

Сам предмет при фотографировании помещают за двойным фокусом, а его изображение получается между фокусом и двойным фокусом. Так как расстояние от предмета до объектива может быть различным, то для получения резкого изображения необходимо изменять и расстояние между объективом и фотопленкой. Это делают, перемещая сам объектив. От величины световой энергии, попадающей на фотопленку, зависит качество снимка. Поэтому в фотоаппарате есть специальный затвор, пропускающий свет лишь определенное время — время экспозиции, которое зависит от качества пленки и от ее освещенности.

Диаметр действующей части объектива можно изменять с помощью диафрагмы. Уменьшая отверстие диафрагмы, можно добиться того, что изображения точек, находящихся на разных расстояниях от фотоаппарата, будут одинаково четкими. Возрастает, как говорят, глубина резкости.

Значение фотографии трудно переоценить. Современная фотография стала быстрой, цветной, стереоскопической. Она широко применяется во многих областях жизни: с ее помощью получают информацию и о космических объектах, и о микрочастицах, она фиксирует невидимые излучения. Нас радует художественная фотография. Фотокорреспонденты дают более полный отчет о событиях, происходящих вокруг нас.

Рис. 42.6. Фотоаппарат: объект, объектив, пленка, изображение

Микроскоп. Для рассматривания совсем маленьких предметов используют микроскоп (рис. 42.7). Простейший микроскоп представляет собой комбинацию двух линз. Собирающая длиннофокусная линза, обращенная к предмету, называется объективом. Она дает действительное, увеличенное изображение предмета. Это изображение рассматривается через другую собирающую короткофокусную линзу (лупу), которую называют окуляром. Рассматриваемый предмет располагается между объективом и его фокусом ближе к фокусу. Тогда объектив даст увеличенное, действительное изображение предмета, которое получается за объективом вблизи фокуса окуляра.

Современные оптические микроскопы дают увеличение в 2—3 тысячи раз.

Рис. 42.7. Микроскоп: окуляр, винты, объективы, предметный столик, штатив, зеркало

Кроме оптических приборов, позволяющих рассматривать мелкие предметы, существуют и другие оптические приборы, с помощью которых можно рассматривать предметы, расположенные на дальнем расстоянии. К ним относятся телескопы, зрительные трубы, бинокли и т. д. Первая в мире зрительная труба была изготовлена Г. Галилеем в 1609 г. (рис. 42.8). С помощью объектива зрительной трубы получают изображение предмета вблизи глаза, которое затем рассматривается в окуляр, как в лупу.

Галилео Галилей (1564—1642).

Рис. 42.8. Зрительная труба Галилея, 1609 г.

Телескоп — это оптический прибор для наблюдения небесных тел (планет, звезд, комет и т. д.) (рис. 42.9). Телескопы разделяются на линзовые (рефракторы, от латинского refractus — «преломлять») и зеркальные (рефлекторы, от латинского reflectere — «отражать»). Первый зеркальный телескоп создал И. Ньютон в 1671—1672 гг. В телескопе-рефлекторе объективом служит параболическое зеркало большого диаметра.

Крупнейший в мире телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 6 м был изготовлен в СССР и установлен на Северном Кавказе и называется Большой телескоп Альт-азимутальный (БТА) (рис. 42.10). А крупнейший в мире телескоп-рефрактор с объективом диаметром 1,02 м изготовлен и установлен в США. Увеличение телескопов превышает 500 раз за счет большого фокусного расстояния объектива. С помощью телескопов можно различать предметы на Луне размером менее 1 м, а на Марсе — предметы размером около 100 м.

Рис. 42.9

В начале 60-х годов XX века в разные районы юга Казахстана направлялись экспедиции для поиска места строительства новой большой обсерватории. Подходящее место было найдено в 80 километрах от Алматы на Ассы-Тургеньском плато на высоте 2750 метров над уровнем моря (рис. 42.11). Отсутствие городской подсветки, безветренные ночи, хорошая прозрачность и спокойствие атмосферы — это важные характеристики астроклимата, по которым и оценивается выбор места для обсерватории. К этому времени Астрофизический институт им. В. Г. Фесенкова уже получил 60-сантиметровый телескоп, изготовленный известной немецкой фирмой «Карл Цейс (Йена)», и был установлен в 1976 году. На сегодняшний день в высокогорной обсерватории Ассы-Тургень установлен самый большой телескоп Казахстана АЗТ-20. Качество изображений на Ассы-Тургеньском плато иногда было просто удивительно качественным. В ближайшее время планируется модифицировать оптическую систему телескопа. Уже есть проект о постройке на обсерватории Ассы-Тургень новейшего 3,6-метрового телескопа, который позволит улучшить качество изображений.

Рис. 42.10. Большой телескоп Альт-азимутальный

Рис. 42.11. Обсерватория Ассы-Тургень

Вопросы

1. Для каких целей служит лупа?
2. Почему создание камеры-обскура сыграло важную роль в оптике?
3. Какие детали являются основными в перископе?
4. Почему в проекционной аппаратуре предмет всегда помещают между фокусом и двойным фокусом линзы? Ответ подтвердите рисунком.
5. Почему мы рассматриваем глаз как оптическую систему?
6. Чем строение глаза похоже на устройство фотоаппарата? В чем вы видите различие между ними?
7. Почему предмет при фотографировании необходимо помещать за двойным фокусом линзы?
8. При фотографировании на объектив фотоаппарата села муха. Как это повлияет на качество снимка? Увидим ли мы на снимке муху? Почему?

Самое важное в главе

Световые явления.

В геометрической оптике, которая изучает законы распространения света, есть четыре закона:

• Закон прямолинейного распространения света: луч света в однородной среде распространяется прямолинейно.
• Закон независимого распространения света: световые лучи, встречаясь, не оказывают влияния на дальнейшее распространение друг друга.
• Закон отражения света: 1) луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости; 2) угол падения $\alpha$ равен углу отражения $\gamma$.
• Закон преломления света: 1) луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости; 2) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, которую называют относительным показателем преломления первой среды относительно второй: $n = \dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta}$.

На явлении отражения и преломления и их законах работают многие оптические приборы, в том числе и плоские, и сферические зеркала, линзы, проекционная аппаратура.

Во многих оптических приборах используется линза — прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Формула тонкой линзы $\dfrac{1}{F} = \dfrac{1}{d} + \dfrac{1}{f}$ позволяет найти положение изображения предмета, которое дает линза.

При построении изображений в линзах используют три замечательных луча.

Линзы, призмы, зеркала являются основой в работе проекционной аппаратуры и других оптических приборов.