к комбинациям из многих линз различных сортов стекла.
В современных микроскопах теоретический предел уже почти достигнут.
Видеть в микроскоп можно и очень малые объекты , но их изображения
представляются в виде маленьких пятнышек, не имеющих никакого сходства с
объектом.
При рассматривании таких маленьких частиц пользуются так называемым
ультрамикроскопом, который представляет собой обычный микроскоп с
конденсором, дающим возможность интенсивно освещать рассматриваемый объект
сбоку, перпендикулярно оси микроскопа.
С помощью ультрамикроскопа удаётся обнаружить частицы , размер которых
не превышает миллимикронов.
5.3 Зрительные трубы.
Простейшая зрительная труба состоит из двух собирающих линз. Одна
линза, обращенная к рассматриваемому предмету, называется объективом , а
другая , обращенная к глазу наблюдателя - окуляром.
Ход лучей в зрительной трубе показан на рис. 14.
Объектив L1 дает действительное обратное и сильно уменьшенное
изображение предмета P1Q1 , лежащее около главного фокуса объектива. Окуляр
помещают так , чтобы изображение предмета находилось в его главном фокусе.
В этом положении окуляр играет роль лупы, при помощи которой
рассматривается действительное изображение предмета.
Действие трубы , так же как и лупы, сводится к увеличению угла зрения.
При помощи трубы обычно рассматривают предметы, находящиеся на расстояниях
, во много раз превышающих её длину. Поэтому угол зрения , под которым
предмет виден без трубы, можно принять угол 2? , образованный лучами,
идущими от краев предмета через оптический центр объектива.
Изображение видно под углом 2? и лежит почти в самом фокусе F
объектива и в фокусе F1 окуляра.
Рассматривая два прямоугольных треугольника с общим катетом Z' , можем
написать:
[pic],
где 2? - угол под которым видно изображение предмета;
2? - угол зрения, под которым виден предмет невооруженным глазом;
F - фокус объектива;
F1 - фокус окуляра;
Z' - половина длины рассматриваемого предмета.
Углы ? и ? -не велики, поэтому можно с достаточным приближением
заменить tg? и tg? углами и тогда увеличение трубы =[pic][pic] ,
где 2? - угол под которым видно изображение
предмета;
2? - угол зрения, под которым виден предмет
невооруженным глазом;
F - фокус объектива;
F1 - фокус окуляра.
Угловое увеличение трубы определяется отношением фокусного расстояния
объектива к фокусному расстоянию окуляра . Чтобы получить большое
увеличение , надо брать длиннофокусный объектив и короткофокусный окуляр.
[ 1 ]
5.4 Проекционные устройства.
Для показа зрителям на экране увеличенного изображения рисунков,
фотоснимков или чертежей применяют проекционный аппарат. Рисунок на стекле
или на прозрачной пленке называют диапозитивом, а сам аппарат ,
предназначенный для показа таких рисунков, - диаскопом. Если аппарат
предназначен для показа непрозрачных картин и чертежей , то его называют
эпископом. Аппарат , предназначенный для обоих случаев называется
эпидиаскопом.
Линзу , которая создает изображение находящегося перед ней предмета,
называют объективом. Обычно объектив представляет собой оптическую систему,
у которой устранены важнейшие недостатки, свойственные отдельным линзам.
Чтобы изображение предмета на было хорошо видно зрителям, сам предмет
должен быть ярко освещен.
Схема устройства проекционного аппарата показана на рис.16.
Источник света S помещается в центре вогнутого зеркала (рефлектора) Р.
свет идущий непосредственно от источника S и отраженный от рефлектора Р,
попадает на конденсор К, который состоит из двух плосковыпуклых линз.
Конденсор собирает эти световые лучи на
объективе О, который уже направляет их на экран Э, где получается
изображение диапозитива Д. Сам диапозитив помещается между главным фокусом
объектива и точкой, находящейся на расстоянии 2F от объектива. Резкость
изображения на экране достигается перемещением объектива, которое часто
называется наводкой на фокус. [ 2 ]
5.5 Спектральные аппараты.
Для наблюдения спектров пользуются спектроскопом.
Наиболее распространенный призматический спектроскоп состоит из двух
труб, между которыми помещают трехгранную призму ( рис. 17).
В трубе А , называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой
можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещается источник света,
спектр которого необходимо исследовать. Щель располагается в фокальной
плоскости коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматора выходят в
виде параллельного пучка. Пройдя через призму , световые лучи направляются
в трубу В , через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначен
для измерений , то на изображение спектра с помощью специального устройства
накладывается изображение шкалы с делениями , что позволяет точно
установить положение цветовых линий в спектре.
При исследовании спектра часто бывает целесообразней сфотографировать
его , а затем изучать с помощью микроскопа.
Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом.
Схема спектрографа показана на рис. 18.
Спектр излучения с помощью линзы Л2 фокусируется на матовое стекло АВ,
которое при фотографировании заменяют фотопластинкой. [ 2 ]
5.6 Оптический измерительный прибор.
Оптический измерительный прибор - средство измерения, в котором
визирование (совмещение границ контролируемого предмета с визирной линией,
перекрестием и т.п.) или определение размера осуществляется с помощью
устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы оптических
измерительных приборов : приборы с оптическим принципом визирования и
механическим способом отчета перемещения; приборы с оптическим способом
визирования и отчета перемещения; приборы, имеющие механический контакт с
измерительным прибором, с оптическим способом определения перемещения точек
контакта.
Из приборов первой распространение получили проекторы для измерения и
контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры.
Наиболее распространенный прибор второй - универсальный измерительный
микроскоп, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке,
а головной микроскоп - на поперечной.
Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных
величин с мерками или шкалами. Их объединяют обычно под общим названием
компараторы. К этой группе приборов относятся оптиметр (оптикатор,
измерительная машина, контактный интерферометр, оптический дальномер и
др.).
Оптические измерительные приборы также широко распространены в геодезии
(нивелир, теодолит и др.).
Теодолит - геодезический инструмент для определения направлений и
измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах,
топографической и маркшейдерских съемках, в строительстве и т.п.
Нивелир - геодезический инструмент для измерения превышений точек
земной поверхности - нивелирования, а также для задания горизонтальных
направлений при монтажных и т.п. работах.
В навигации широко распространён секстант - угломерный зеркально-
отражательный инструмент для измерения высот небесных светил над горизонтом
или углов между видимыми предметами с целью определения координат места
наблюдателя. Важнейшая особенность секстанта - возможность совмещения в
поле зрения наблюдателя одновременно двух предметов, между которыми
измеряется угол, что позволяет пользоваться секстантом на самолёте и на
корабле без заметного снижения точности даже во время качки.
Перспективным направлением в разработке новых типов оптических
измерительных приборов является оснащение их электронными отсчитывающими
устройствами, позволяющими упростить отсчет показаний и визирования, и т.п.
[ 5 ]
Глава 6. Применение оптических систем в науке и технике.
Применение , а так же роль оптических систем в науке и технике очень
велико. Не изучая оптические явления и не развивая оптические инструменты
человечество не было бы на столь высоком уровне развития техники.
Почти все современные оптические приборы предназначены для
непосредственного визуального наблюдения оптических явлений.
Законы построения изображения служат основой для построения
разнообразных оптических приборов. Основной частью любого оптического
прибора является некоторая оптическая система. В одних оптических приборах
изображение получается на экране, другие приборы предназначены для работы с
глазом . в последнем случае прибор и глаз представляют как бы единую
оптическую систему и изображение получается на сетчатой оболочке глаза.
Изучая некоторые химические свойства веществ, ученые изобрели способ
закрепления изображения на твердых поверхностях, а для проецирования
изображений на эту поверхность стали использовать оптические системы,
состоящие из линз. Таким образом, мир получил фото- и киноаппараты, а с
последующим развитием электроники появились видео- и цифровые камеры.
Для исследования малых объектов , практически незаметных глазу
используют лупу, а если её увеличения не достаточно , тогда применяют
микроскопы. Современные оптические микроскопы позволяют увеличивать
изображение до 1000 раз, а электронные микроскопы в десятки тысяч раз. Это
даёт возможность исследовать объекты на молекулярном уровне.
Современные астрономические исследования не были бы возможными без
«трубы Галилея» и «трубы Кеплера». Труба Галилея , нередко применяемая в
обычном театральном бинокле, даёт прямое изображение предмета, труба
Кеплера - перевернутое. Вследствие этого , если труба Кеплера должна
служить для земных наблюдений , то её снабжают оборачивающей системой
(дополнительной линзой или системой призм ) , в результате чего изображение
становится прямым. Примером подобного прибора может служить призменный
бинокль.
Преимуществом трубы Кеплера является то , что в ней имеется
дополнительное промежуточное изображение , в плоскость которого можно
поместить измерительную шкалу, фотопластинку для производства снимков и
т.п. Вследствие этого в астрономии и во всех случаях, связанных с
измерениями, применяется труба Кеплера.
Наряду с телескопами, построенными по типу зрительной трубы -
рефракторами, весьма важное значение в астрономии имеют зеркальные (
отражательные ) телескопы, или рефлекторы.
Возможности наблюдения , которые даёт каждыё телескоп, определяются
диаметром его отверстия. Поэтому с давних времен научно техническая мысль
направлена на отыскание
способов изготовления больших зеркал и объективов.
С постройкой каждого нового телескопа расширяется радиус наблюдаемой
нами Вселенной.
Зрительное восприятие внешнего пространства является сложным действием
, в котором существенным обстоятельством является то, что в нормальных
условиях мы пользуемся двумя глазами. Благодаря большой подвижности глаз мы
быстро фиксируем одну точку предмета за другой; при этом мы можем оценивать
расстояние до рассматриваемых предметов, а также сравнивать эти расстояния
между собой. Такая оценка даёт представление о глубине пространства, об
объемном распределении деталей предмета, делает возможным стереоскопическое
зрение.
Стереоскопические снимки 1 и 2 рассматриваются с помощью линз L1 и L2 ,
помещенных каждая перед одним глазом. Снимки располагаются в фокальных
плоскостях линз, и следовательно, их изображения лежат в бесконечности. Оба
глаза аккомодированы на бесконечность. Изображения обоих снимков
воспринимаются как один рельефный предмет, лежащий в плоскости S.
Стереоскоп в настоящее время широко применяется для изучения снимков
местности. Производя фотографирование местности с двух точек, получают два
снимка , рассматривая которые в стереоскоп можно ясно видеть рельеф
местности. Большая острота стереоскопического зрения даёт возможность
применять стереоскоп для обнаружения подделок документов, денег и т.п.
В военных оптических приборах , предназначенных для наблюдений
(бинокли, стереотрубы ), расстояния между центрами объективов всегда
значительно больше, чем расстояние между глазами, и удаленные предметы
кажутся значительно более рельефными , чем при наблюдении без прибора.
Изучение свойств света, идущего в телах с большим показателем
преломления привело к открытию полного внутреннего отражения. Это свойство
широко применяется при изготовлении и использовании оптоволокна. Оптическое
волокно позволяет проводить любое оптическое излучение без потерь.
Использование оптоволокна в системах связи позволило получить
высокоскоростные каналы для получения и отправки информации.
Полное внутреннее отражение позволяет использовать призмы вместо
зеркал. На этом принципе построены призматические бинокли и перископы.
Использование лазеров и систем фокусоровки позволяет фокусировать
лазерное излучение в одной точке, что применяется в резке различных
веществ, в устройствах для чтения и записи компакт-дисков, в лазерных
дальномерах.
Оптические системы широко распространены в геодезии для измерения углов
и превышений (нивелиры, теодолиты, секстанты и др.).
Использование призм для разложения белого света на спектры привело к
созданию спектрографов и спектроскопов. Они позволяют наблюдать спектры
поглощений и испусканий твердых тел и газов. Спектральный анализ позволяет
узнать химический состав вещества.
Использование простейших оптических систем – тонких линз, позволило
многим людям с дефектами зрительной системы нормально видеть (очки, глазные
линзы и т.д.).
Благодаря оптическим системам было произведено много научных открытий и
достиженй.
Оптические системы используются во всех сферах научной деятельности, от
биологии до физики. Поэтому, можно сказать , что сфера применения
оптических систем в науке и технике – безгранична. [ 4,6 ]
Заключение.
Практическое значение оптики и её влияние на другие отрасли знания
исключительно велики. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед
человеком удивительнейший и богатейший мир явлений , происходящих в
необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в
биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям
науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без
неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино ,
телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за
50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы ,
связанные со зрением.
Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна.
Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в
других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к
наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно , что оптике на протяжении
длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих
фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений.
Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия -
теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной
степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров
открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её
приложениях в различных отраслях науки и техники.
Список литературы.
1. Арцыбышев С.А. Физика - М.: Медгиз, 1950. - 511с.
2. Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Физика для средних учебных заведений - М.:
Наука, 1981. - 560с.
3. Ландсберг Г.С. Оптика - М.: Наука, 1976. - 928с.
4. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986. - Т.3. -
656с.
5. Прохоров А.М. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская
энциклопедия, 1974. - Т.18. - 632с.
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики : Оптика - М.: Наука, 1980. - 751с.
-----------------------
i i'
n
Поверхность
раздела
1 среда
n1
2 среда
n2
? ?
?
sin?
sin?
M N
A1 B1 R1 R2 B2 A2
G1 G2
O1 P1 P2
O2
F1 Q1 H1 H2 Q2
F2
Рис. 4. Главные оптические плоскости H1R1 и H2R2 и фокусы F1 и F2
оптической системы.
E M
A B`
O O`
B A`
E M
Рис. 5 Влияние диафрагмы на глубину резкого изображения.
Рис. 6. ВВ – апертурная диафрагма; В1В1 – входной зрачок; В2В2 – выходной
зрачок.
P Q1 P2
Q Q2
L1
L2
O1
O2
B1
B2
B1
B2
Ф
ГлОО
F
ГлОО
Ф
Ф
ГлОО
ГлОО
F
Ф
Рис. 7. Классификация линз и особенности преломления лучей : а - собирающая
линза ;
б - рассеивающая линза.
S2
S1
S11
S21
D
h
?
a)
b
b'
?
?'
О
б)
Рис. 11. Коррекция изображения рассматриваемых предметов : а - угол зрения
? = S1' S2' / h = S1 S2 / D ;
б – при увеличении угла зрения увеличивается изображение
рассматриваемого предмета на сетчатке ; N = b' / b = ?' / ? .
F
F
25
2?
2?
Z
Рис. 12 Угловое увеличение лупы.
b
б)
а)
P
Q
P''
Q''
P'
Q'
F1
F2
F1
L1
L2
Рис. 13. Схема простейшего микроскопа.
P'Q'
PQ
P''Q''
P'Q'
P''Q''
PQ
P
Q
?
Q1
P1
?
L1
L2
F
Рис. 14. Ход лучей в зрительной трубе.
2?
2?
2?
F
Z'
F'
Рис. 15. Угловое увеличение зрительной трубы.
Рис. 19. Телескопы : а - телескопы рефлекторы ; б - телескоп - рефрактор
1
2
3
f
L1
L2
Рис. 20. Схема стереоскопа.
Рис. 21. Схема перископа.
Перископы широко применяются в подводных кораблях , а также в военных
оптических приборах.
хрусталик
сетчатка
Сосудистая оболочка
Радужная оболочка
склера
роговица
Рис. 10. Строение человеческого глаза.
А
В
А
А1
В1
К
Рис. 8. Схема фотоаппарата.
фотобумага
фокусирующая линза
лампа
негатив
Рис. 9. Схема фотоувеличителя.
Д
S
К
О
Э
P
Рис. 16. Схема проекционного устройства.
A
B
Рис. 17. Спектроскоп.
Л2
S
Л1
В
А
Рис. 18. Спектрограф.
