Глава 3. § 47. Оптические приборы — с. 227
§ 47. Вопрос 1. Что такое оптические приборы?
Приведите примеры оптических приборов.
Оптические приборы — это устройства, в которых изображение предмета получают с помощью линз (или зеркал), чтобы рассмотреть мелкие или далёкие предметы либо получить изображение на экране. Примеры: лупа, микроскоп, бинокль, телескоп, фотоаппарат, проектор, очки.
§ 47. Вопрос 2. Что означают слова «вооружить глаз»?
Какие приборы, вооружающие глаз, вам известны?
«Вооружить глаз» — значит помочь глазу рассмотреть очень мелкие или очень удалённые предметы, увеличив угол зрения, под которым они видны. Вооружающие глаз приборы: лупа, микроскоп, бинокль, телескоп (зрительная труба).
§ 47. Вопрос 3. Что такое угол зрения?
Угол зрения — это угол, образованный прямыми, проведёнными от краёв предмета в оптический центр глаза. Чем он больше, тем крупнее изображение на сетчатке и тем больше деталей можно различить. Две точки глаз различает раздельно, если угол зрения не меньше одной минуты.
§ 47. Вопрос 4. Почему с помощью лупы удаётся увеличить угол зрения при рассмотрении мелких предметов?
Лупа — собирающая линза с фокусным расстоянием 1–10 см. Предмет помещают от неё на расстоянии, чуть меньшем фокусного. Лупа даёт мнимое, прямое, увеличенное изображение, которое видно под бóльшим углом, чем сам предмет при рассматривании без лупы. Поэтому на сетчатке изображение получается крупнее, и глаз без напряжения различает мелкие детали.
§ 47. Вопрос 5. Как устроен микроскоп?
Объясните, используя рисунок 171, ход лучей в микроскопе.
Микроскоп состоит из окуляра, объектива, тубуса, предметного столика, зеркала и винтов наводки на резкость. Оптическая система — две линзы (или системы линз): объектив (обращён к предмету, короткофокусная линза) и окуляр (обращён к глазу, длиннофокусная линза).
Ход лучей. Предмет AB помещают перед объективом чуть дальше его фокуса. Объектив даёт действительное, увеличенное, перевёрнутое изображение A₁B₁. Окуляр сдвигают так, чтобы A₁B₁ оказалось между окуляром и его фокусом, как можно ближе к фокусу: окуляр работает как лупа и даёт мнимое, увеличенное изображение A₂B₂ (прямое по отношению к A₁B₁, то есть перевёрнутое по отношению к предмету).
Ход лучей. Предмет AB помещают перед объективом чуть дальше его фокуса. Объектив даёт действительное, увеличенное, перевёрнутое изображение A₁B₁. Окуляр сдвигают так, чтобы A₁B₁ оказалось между окуляром и его фокусом, как можно ближе к фокусу: окуляр работает как лупа и даёт мнимое, увеличенное изображение A₂B₂ (прямое по отношению к A₁B₁, то есть перевёрнутое по отношению к предмету).
§ 47. Вопрос 6. Для чего служат телескопы?
Объясните, используя рисунок 172, ход лучей в телескопе-рефракторе.
Телескопы служат для наблюдения удалённых объектов — планет, звёзд и др.
Телескоп-рефрактор (труба Кеплера) состоит из двух собирающих линз: длиннофокусного объектива и короткофокусного окуляра. Лучи от далёкого предмета почти параллельны; объектив даёт уменьшенное, перевёрнутое, действительное изображение A₁B₁ вблизи своего фокуса. Это изображение расположено очень близко к окуляру, который действует как лупа и даёт сильно увеличенное мнимое изображение A₂B₂. Угол зрения при этом сильно увеличивается.
Телескоп-рефрактор (труба Кеплера) состоит из двух собирающих линз: длиннофокусного объектива и короткофокусного окуляра. Лучи от далёкого предмета почти параллельны; объектив даёт уменьшенное, перевёрнутое, действительное изображение A₁B₁ вблизи своего фокуса. Это изображение расположено очень близко к окуляру, который действует как лупа и даёт сильно увеличенное мнимое изображение A₂B₂. Угол зрения при этом сильно увеличивается.
§ 47. Вопрос 7. Как устроен телескоп-рефлектор?
В телескопе-рефлекторе объективом служит вогнутое параболическое зеркало большого диаметра. В его фокусе сходится практически параллельный пучок света от далёкого объекта. Этот сходящийся пучок с помощью плоского зеркала направляется в окуляр, через который рассматривают изображение объекта (рисунок 173).
§ 47. Вопрос 8. Охарактеризуйте изображения, получаемые с помощью микроскопа, телескопа и фотоаппарата.
Микроскоп: объектив даёт действительное, увеличенное, перевёрнутое изображение, окуляр превращает его в мнимое, увеличенное; итоговое изображение мнимое, сильно увеличенное.
Телескоп (рефрактор): объектив даёт действительное, уменьшенное, перевёрнутое изображение, окуляр — мнимое, сильно увеличенное; итоговое изображение мнимое, увеличенное, видимое под большим углом зрения.
Фотоаппарат: объектив даёт на светочувствительной пластинке действительное, уменьшенное, перевёрнутое изображение.
Телескоп (рефрактор): объектив даёт действительное, уменьшенное, перевёрнутое изображение, окуляр — мнимое, сильно увеличенное; итоговое изображение мнимое, увеличенное, видимое под большим углом зрения.
Фотоаппарат: объектив даёт на светочувствительной пластинке действительное, уменьшенное, перевёрнутое изображение.
§ 47. Вопрос для обсуждения.
1. Какая из двух луп, изображённых на рисунке 174, имеет большее фокусное расстояние?
Чем меньше фокусное расстояние лупы, тем сильнее она преломляет лучи и тем больше увеличение. На рисунке 174 буквы под левой лупой выглядят крупнее, чем под правой, значит, левая лупа увеличивает сильнее, и у неё фокусное расстояние меньше. Большее фокусное расстояние имеет правая лупа.
Оговорка: вывод сделан по сравнению размера букв, видимых через лупы на рисунке.
Оговорка: вывод сделан по сравнению размера букв, видимых через лупы на рисунке.
§ 47. Вопрос для обсуждения.
2. Зеркала телескопов-рефлекторов шлифуют с очень высокой точностью: до долей микрометров. Подумайте и объясните, зачем нужна такая высокая точность шлифовки.
Чтобы все лучи от далёкой звезды, отразившись от разных участков зеркала, собирались в одной точке — фокусе, поверхность зеркала должна иметь точную форму параболоида. Длина волны видимого света около 0,4–0,8 мкм. Если неровности поверхности зеркала сравнимы с длиной волны, отражённые лучи пойдут не туда, куда нужно, изображение звезды расплывётся, и получится нечёткая картина. Поэтому неровности должны быть много меньше длины световой волны, то есть составлять доли микрометра.
§ 47. Задание 19. Первая зрительная труба (телескоп) — труба Галилея — состояла из собирающей и рассеивающей линз. Начертите принципиальную оптическую схему трубы Галилея, постройте ход лучей в ней. Охарактеризуйте изображение, получаемое с помощью трубы Галилея.
Схема. Объектив — собирающая линза с большим фокусным расстоянием, окуляр — рассеивающая линза с малым фокусным расстоянием. Окуляр ставят на оси перед объективом так, чтобы фокус объектива совпал с фокусом окуляра (на чертеже F).
Ход лучей. Лучи от далёкого предмета почти параллельны (параллельный пучок идёт под небольшим углом к оси). Объектив направил бы их в точку A₁ фокальной плоскости, но на пути стоит рассеивающий окуляр. Лучи, идущие к точке A₁ около его фокуса, он делает параллельными друг другу, и они выходят пучком под бóльшим углом к оси (красные лучи). Серый пунктир — продолжение лучей до точки A₁, в которой изображение не образуется.
Изображение: мнимое, прямое, увеличенное (угол зрения возрастает во столько раз, во сколько фокусное расстояние объектива больше модуля фокусного расстояния окуляра). Труба Галилея даёт прямое изображение, но небольшое увеличение и узкое поле зрения.
Ход лучей. Лучи от далёкого предмета почти параллельны (параллельный пучок идёт под небольшим углом к оси). Объектив направил бы их в точку A₁ фокальной плоскости, но на пути стоит рассеивающий окуляр. Лучи, идущие к точке A₁ около его фокуса, он делает параллельными друг другу, и они выходят пучком под бóльшим углом к оси (красные лучи). Серый пунктир — продолжение лучей до точки A₁, в которой изображение не образуется.
Изображение: мнимое, прямое, увеличенное (угол зрения возрастает во столько раз, во сколько фокусное расстояние объектива больше модуля фокусного расстояния окуляра). Труба Галилея даёт прямое изображение, но небольшое увеличение и узкое поле зрения.