Урок 14. Оптические приборы
Оптические приборы – устройства, в которых электромагнитное излучение преобразуется для нормального восприятия его человеческим глазом.
Угловое увеличение – отношение угла зрения при наблюдении предмета через оптический прибор к углу зрения при наблюдении простым глазом.
Угол зрения – угол, образованный прямыми, проведенными от краев предмета в оптический центр глаза.
Лупа – собирающая короткофокусная линза (или система линз), вставленная в оправу, позволяющая получить увеличенное изображение мелких предметов.
Микроскоп – увеличительный прибор для рассматривания предметов, неразличимых простым глазом.
Увеличение микроскопа – отношение угла зрения, при котором предмет виден при наблюдении через микроскоп, к углу зрения при наблюдении невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения
Телескоп (от греч. теле – вдаль и скопео – смотрю) – астрономический инструмент для наблюдения удаленных объектов путем сбора электромагнитного излучения.
Фотоаппарат (фотографический аппарат) – устройство для получения и фиксации неподвижных изображений материальных объектов при помощи электромагнитного излучения.
Дагертопия – ранний фотографический процесс, основанный на светочувствительности йодистого серебра.
Кинокамера – устройство, предназначенное для записи движущегося изображения на киноплёнку.
Кинопроектор (кинопроекционный аппарат) – аппарат, предназначенный для воспроизведения движущегося изображения и звука, записанных на киноплёнке.
Проектор – оптический прибор, предназначенный для создания действительного изображения плоского предмета небольшого размера на большом экране.
Диапроектор (слайд-проектор) – разновидность проекционного аппарата для демонстрации диапозитивов, и других прозрачных носителей неподвижного изображения.
Диапозитив – позитивное фотографическое изображение на прозрачном материале, предназначенное для демонстрации на экране с помощью проектора.
Оверхед-проектор (кодоскоп) – оптический прибор, предназначенный для проекции прозрачных оригиналов с изображением на большой экран.
Разрешающая способность оптических приборов – величина, характеризующая способность эти приборов давать раздельное изображение двух близких друг к другу объектов.
Список обязательной и дополнительной литературы:
Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 172 -202.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Практическое применение электромагнитного излучения, разумное использование законов геометрической оптики привело человечество к изобретению оптических приборов, вооружающих глаз. Первым оптическим прибором были очки. Вслед за очками появилась лупа для рассмотрения мелких предметов. Люди стали получать изображения, используя систему нескольких линз и зеркал. Так стали получаться более сложные оптические приборы.
Оптические приборы разделены на две большие группы:1) визуальные приборы, которые действуют только совместно с человеческим органом зрения и не образуют изображений на экране. К ним относятся лупа, микроскоп, телескоп и др. 2) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К этой группе относятся фотоаппараты, проекционные аппараты и др.
Принцип действия лупы основан на использовании свойства собирающей линзы создавать мнимое, прямое, увеличенное изображение.
Увеличение лупы Г равно:
где d0 — расстояния наилучшего зрения (около 25 см), равное расстоянию f от линзы до изображения; F – фокусное расстояние.
Расстояние d от предмета до линзы приблизительно равно фокусному расстоянию:
Наряду с увеличением размеров предмета, лупа дает угловое увеличение, что позволяет лучше рассмотреть предмет.
Оптические системы, как правило, состоят из набора линз или набора линз и зеркал, в которых последовательно получаются изображения предмета. Изображение, полученное в первой линзе, является предметом для второй линзы. Изображение, полученное во второй линзе, является предметом для третьей и т.д. Эта последовательность в получении изображения лежит в идее создания микроскопа и телескопа.
Полное увеличение микроскопа:
где Гоб — увеличение объектива;
Гок – увеличение окуляра.
Для нормального глаза при удалении от объекта на расстояние наилучшего видения минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм. Микроскоп дает возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.
В 1609 г. Галилео Галилей, на основании дошедших до него сведений об изобретённой в Голландии подзорной трубе (автор Иоанн Липперсгей), строит свой первый телескоп, дающий приблизительно трехкратное увеличение. Вскоре учёный построил телескоп с увеличением в 32 раза и с помощью него были обнаружены горы, кратеры на Луне и пятна на Солнце; открыты четыре спутника Юпитера — Ио, Европа, Ганимед, Каллиосто; фазы Венеры; выяснилось, что Млечный путь состоит из множества звезд.
В середине XVII века изготовление телескопов стало обычным делом, но техника создания телескопов совершенствуется и по сей день.
Телескопы для наблюдений в световых лучах называют оптическими, а для приема радиоволн – радиотелескопами.
У всех телескопов принципиальная схема устройства одинакова: любой оптический телескоп состоит из окуляра и объекта, треноги или фундамента, на который устанавливается труба, монтировки с осями наведения на объект.
По своей оптической схеме телескопы делятся на: линзовые (рефракторы или диоптрические); зеркальные (рефлекторы или катаптрические); зеркально-линзовые (катадиоптрические).
Основными параметрами телескопа являются светосила, видимое увеличение и разрешающая способность.
Светосилу телескопа определяют диаметр объектива и его фокусное расстояние:
A – светосила телескопа;
d – диаметр объектива;
F – фокусное расстояние объектива.
W – увеличение телескопа;
Fоб – фокусное расстояние объектива;
Fок – фокусное расстояние окуляра.
Предельное разрешение (в секундах дуги) визуальных телескопов, рассчитанных на восприятие световых волн с длиной 550 нм (жёлто-зелёные лучи), которые наиболее эффективно воздействуют на человеческий глаз находится по формуле:
ϴ — минимальное угловое расстояние между двумя точками, которые можно четко различить в телескоп;
D – диаметр объектива (в мм).
Для получения значительного увеличения объективы в телескопах должны длиннофокусными (фокусное расстояние в несколько метров), а окуляры – короткофокусными (несколько миллиметров).
В больших телескопах в качестве объективов применяют не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называют рефлекторами. Зеркала, в отличие от линз, не обладают хроматической аберрацией. Также чтобы уменьшить негативное влияние атмосферы на качество добываемой информации, телескопы устанавливают в высокогорных районах. Например, самым крупным телескопом в России считается Большой Телескоп Азимутальный Специальной астрофизической обсерватории РАН, установленный в горах Северного Кавказа.
Помимо наземных обсерваторий появились орбитальные обсерватории, которые значительно увеличивает возможности по работе в недоступном прежде угловом разрешении. Первым космическим телескопом является телескоп им. Эдвина Хаббла, созданный в США и запущенный в 1990 г. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7 – 10 раз больше, чем у аналогичных наземных телескопов.
С помощью современных телескопов учёные пытаются уточнить возраст Вселенной, объяснить механизмы и эволюцию звезд, галактик и планетных систем и т. д.
Визуально-оптическое наблюдение, проводимое человеческим глазом, не позволяет регистрировать изображение до последующего изучения или документирования результатов наблюдения. Для этих целей используют фотоаппараты, кинопроекционные аппараты, проекторы.
Большое значение имеют оптические измерительные приборы, в которых визирование (совмещение границ контролируемого размера предмета с визирной линией, перекрестием и т. п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия
Разбор тренировочного задания.
1. Заполните пропуски в тексте:
«Основное назначение телескопов состоит не в достижении _________ увеличения, а в том, чтобы ________ как можно больше световой _________ от небесного тела и различить как можно ________ детали»
Варианты ответов: собрать; малого; большого; разложить; меньшие; энергии; большие.
Правильный вариант: большого; собрать; энергии; меньшие.
2. Объектив телескопа имеет фокусное расстояние 10 м, а окуляр 5 см. Определите увеличение, даваемое телескопом. Выберите неверные ответы.
Где применяются оптические приборы?
Из уроков физики каждому знакомо, что такое оптический прибор. Это своего рода конструкция, которая позволяет преобразовывать внутри себя свет. Под этим понятием подразумевается способность всячески искажать, преломлять, отражать, пропускать свет через систему линз. В основном эти устройства находят своё применение в тех случаях, когда требуется увеличить отдалённое изображение. Многие, наверное, сейчас подумали о телескопе или бинокле. Однако очень широкое распространение линзы получили в медицинской отрасли. Они позволили изучать самые микроскопические элементы.
Может показаться, что в обиход оптика вошла совсем недавно, но это не так. Первые упоминания об оптических устройствах датируются XIII веком. Конечно, главной задачей изучения оптики было найти пользу применения в военной промышленности. Сегодня оптические приборы используются повсюду, начиная от мелких бытовых нужд и заканчивая изучением внеземных объектов.
Все эти устройства можно разделить на категории в зависимости от конструкции, назначения и уникальных характеристик. Главной из этих групп на сегодня являются оптические прицелы. Их разработка была целью военной отрасли, которая справилась со своей задачей превосходно. Преимущество использования прицела даже не стоит объяснять. Если ранее объекты из этой категории были не сильно «навороченными», то в современном мире картина выглядит иначе. Так, далеко не редкость встретить у рядовых охотников тепловизионные прицелы, например, pulsar xd38, который можно использовать в любое время суток.
Ещё одним интересным изобретением является бинокль, который без проблем позволит наблюдать за отдалёнными объектами. В отличие от прицела для его использования нужно задействовать оба глаза. Это намного удобнее и позволяет избежать переутомления. Применяют бинокли повсюду – как в целях развлечения, так и в военных. Современные инженеры смогли оснастить некоторые модели биноклей способностью ночного видения. Кстати, для удобства существуют такие образцы, которые крепятся на голову с помощью маски. Это освобождает руки и позволяет одновременно с наблюдением выполнять другие действия.
Как уже было сказано, оптические приборы помогают решать разнообразные задачи. Кроме приведённых категорий можно ещё отметить такие устройства, как монокуляры, зрительные трубы, телескопы, микроскопы, лупы и дальномеры.
Список используемой литературы
1. В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Н.А. Ерганжиев и др. Телевидение. М.: Радио и связь,1986.
2. Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1958.
3. Б.М. Яворский, А.А. Детлав. Справочник по физике. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1963.
4. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. Издательство «наука» ф-м литература. Москва 1965.
5. З.М. Пруслин, М.А. Смирнова. Радиотехника и электроника. Издательство «Высшая школа», Москва 1970.
Область применения и назначение оптических приборов
В рамках современности оптическая техника реализуется в свободном доступе. Приобрести её может каждый. Обратите внимание на каталоги продукции, представленные в интернет-магазине altair.ru (ИП Матвеев Максим Геннадьевич; ИНН: 771676216832; OГРН: 317774600333420; адрес: г. Москва, Багратионовский пр-д, д. 7, стр. 3).
Под оптическими приборами стоит понимать устройства, которые преобразовывают видимый свет. Они пропускают, преломляют или отражают таковой. Указанное оборудование предназначено для получения увеличенного изображения объектов, расположенных далеко, или предметов, которые хочется рассмотреть поближе. Оценить предметы посредством специального оборудования можно днём и ночью. Они способны не только увеличивать, но и уменьшать, делать изображение более качественным, а также позволяют косвенно увидеть искомый предмет.
Оптические приборы применяются довольно активно. Они постоянно совершенствуются, открывая массу уникальных возможностей для человека. Оптические устройства позволяют заглянуть в мир, который не получится рассмотреть невооружённым взглядом. Оборудование ночного видения позволяет наблюдать за объектами почти в кромешной темноте. Сегодня практически все устройства доступны для бытового применения. Однако чаще всего они используются деятелями науки, отдельными специалистами, а также поклонниками определённого досуга.
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.
