Главная | Физика 11 класс | Оптические приборы

11 класс

§ 47. Оптические приборы

Фотоаппарат.

На законах геометрической оптики основано устройство и действие различных оптических приборов. Рассмотрим некоторые из них.

Основными частями фотоаппарата являются непрозрачная камера и система линз, называемая объективом. Простейший объектив представляет собой одну собирающую линзу. Объектив создаёт вблизи задней стенки камеры действительное перевёрнутое изображение фотографируемого предмета (рис. 7.61).

Рис. 7.61

В большинстве случаев предмет находится на расстоянии, большем двойного фокусного расстояния, поэтому изображение будет уменьшенным. В том месте, где получается изображение, раньше помещали фотопластинку или фотоплёнку, покрытую слоем светочувствительного вещества (фотоэмульсией). В современных (цифровых) фотоаппаратах плёнка заменена матрицей светочувствительных элементов (фотодиодов), которые размещены на интегральной микросхеме. В фотодиодах падающий свет преобразуется в электрический сигнал.

Фотографируемый предмет может находиться на разных расстояниях от аппарата. В связи с этим расстояние между объективом и плёнкой также нужно изменять. Обычно это осуществляется перемещением объектива.

Изображение предмета в фотоаппарате — действительное, перевёрнутое и уменьшенное.

Проекционный аппарат.

Схема устройства проекционного аппарата приведена на рисунке 7.62.

Рис. 7.62

Изображение диапозитива ¹ D создаётся на экране с помощью объектива О. Система линз К, называемая конденсором, используется для того, чтобы весь световой поток после диапозитива прошёл через объектив. Объектив проецирует освещённый диапозитив на экран.

¹ Диапозитив — рисунок или фотоснимок, выполненный на прозрачной основе.

Увеличение проекционного аппарата можно менять, приближая объектив к диапозитиву или удаляя от него с одновременным изменением расстояния от аппарата до экрана. Обратите внимание, что предмет в проекционном аппарате необходимо размещать на расстояниях от F до 2F (рис. 7.63). Увеличение проекционного аппарата тем больше, чем меньше фокусное расстояние объектива.

Рис. 7.63

Изображение предмета в проекционном аппарате — действительное, увеличенное и перевёрнутое.

Пo своему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разделить на две группы:

1) приборы для рассматривания мелких объектов (лупы, микроскопы);

2) приборы для рассматривания далёких объектов (зрительные трубы, телескопы и т. и.).

В отличие от фотоаппарата и проекционного аппарата, в таких приборах изображения рассматриваемых предметов являются мнимыми.

Отношение угла зрения при наблюдении предмета через оптический прибор к углу зрения при наблюдении невооружённым глазом принимают за характеристику оптического прибора — его угловое увеличение.

Лупа.

Рис. 7.64

Угол зрения, под которым виден предмет невооружённым глазом (рис. 7.64), равен ²

² Для малых углов .

где d₀ = 25 см — расстояние наилучшего зрения; h — линейный размер предмета.

Простейший способ увеличения угла зрения при рассмотрении мелких предметов состоит в применении лупы. Лупой называют собирающую линзу или систему линз с малым фокусным расстоянием F (как правило, не более 10 см). Лупу помещают обычно близко к глазу, а предмет располагается в её фокальной плоскости. В этом случае лучи из любой точки объекта после выхода из лупы образуют параллельные пучки (рис. 7.65).

Рис. 7.65

Следовательно, чёткое изображение точек на сетчатке получается без напряжения глаза. В лупу предмет виден под углом

Разделив почленно равенство (2) на равенство (1), найдём угловое увеличение лупы Г_л:

Увеличение, даваемое лупой, ограничено её размерами. Действительно, линза с большой оптической силой должна быть сильно выпуклой. Вследствие этого размеры лупы приходится уменьшать до нескольких миллиметров, что ограничивает поле зрения и затрудняет использование лупы. Поэтому лупы с увеличением более 40 не применяются. Луны используют часовых дел мастера, геологи, ботаники, криминалисты, коллекционеры марок и те, кто занимается мелкой и точной работой, измерениями.

Микроскоп.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух линз или систем линз (рис. 7.66). Линзу L₁, обращённую к предмету, называют объективом. Действительное увеличенное изображение предмета, даваемое объективом, рассматривается через лупу L₂ — окуляр. В результате общее увеличение получается весьма большим.

Рис. 7.66

Рассмотрим принцип действия микроскопа. Для получения действительного увеличенного изображения предмет AB располагают между фокусом объектива и точкой, находящейся на двойном фокусном расстоянии. Наблюдение в окуляр удобно вести без напряжения глаза. Для этого окуляр размещают так, чтобы изображение A₁B₁, даваемое объективом, было совмещено с фокальной плоскостью окуляра (см. рис. 7.66).

Увеличением микроскопа Г_м называют отношение угла зрения φ₁, под которым виден предмет при наблюдении через микроскоп, к углу зрения φ при наблюдении невооружённым глазом с расстояния наилучшего зрения d₀ = 25 см:

Согласно формуле (1),

где h — линейный размер предмета.

Окуляр микроскопа действует подобно лупе, и

где H — линейный размер изображения, даваемого объективом; F₂ — фокусное расстояние окуляра.

Линейный размер изображения в объективе связан с линейным размером предмета соотношением

Здесь F₁ — фокусное расстояние объектива. Расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра

называют оптической длиной тубуса микроскопа.

Подставляя в выражение (3) значения углов (4) и (5) и учитывая соотношения (6) и (7), получим формулу для увеличения микроскопа:

Увеличение микроскопа варьируется от нескольких десятков до 1500. Микроскоп позволяет различать мелкие детали предмета, которые при наблюдении невооружённым глазом или с помощью лупы сливаются.

Телескопы.

Телескоп — оптический прибор (большая зрительная труба), предназначенный для наблюдения небесных тел и звёзд. По своей оптической схеме телескопы подразделяются на линзовые (рефракторы) и зеркальные (рефлекторы). Телескоп, линзовая система которого даёт угловое увеличение удалённых объектов в видимом диапазоне, называют оптическим телескопом-рефрактором. Для получения максимального углового увеличения изображение A₁B₁ удалённого предмета должно находиться в фокусе окуляра F₂ телескопа. При этом фокусы объектива и окуляра телескопа совпадают (рис. 7.67).

Рис. 7.67

Угловое увеличение телескопа рефрактора Г_т определяется отношением угла зрения φ₁, под которым виден удалённый предмет при наблюдении его в телескоп, к углу зрения φ, под которым он мог бы наблюдаться невооружённым глазом.

Используя рисунок 7.67, можно показать, что

В телескопе-рефлекторе объективом является параболическое зеркало большого диаметра. Одним из крупнейших подобных телескопов является расположенный в предгорьях Кавказа отечественный телескоп БТА («Большой Телескоп Азимутальный») с диаметром зеркала, равным 6 м. Сейчас созданы телескопы с зеркалами ещё больших размеров. Так, например, в обсерватории Кека находятся два зеркальных телескопа, диаметр первичных зеркал (всего их три в каждом из телескопов) которых составляет 10 м.

Ход лучей в зеркальном телескопе показан на рисунке 7.68.

Рис. 7.68

Свет от небесного тела идёт практически параллельным пучком и после отражения от зеркала 31 сходится в его фокальной плоскости. При помощи плоского зеркала 32 световые лучи направляются в окуляр L₁. Через окуляр рассматривают изображение тела. Увеличение больших телескопов превышает 500 за счёт большого фокусного расстояния объектива. C помощью телескопа можно различать на Луне предметы размером менее 1 м, а на Марсе — около 100 м.