Оптические приборы, представляющие собой систему нескольких призм или линз, нескольких зеркал или одновременно линз, призм и зеркал, предназначены для преобразования световых пучков. С их помощью могут изменяться направления хода световых лучей, или телесные углы, в пределах которых распространяются световые пучки. Последнее обстоятельство связано с получением изображений, размеры которых отличаются от размеров предметов. Первое, на что нужно обращать внимание при анализе оптической системы, - это назначение и реальные условия её работы, второе - обращать внимание на то, где может располагаться предмет перед системой, какое изображение (увеличенное, уменьшенное, равное, перевёрнутое или прямое) должна дать система? Третье - как регистрируется полученное изображение (на экране, фотоплёнке, рассматривается невооруженным глазом или через лупу)?

Все оптические приборы можно разделить на две группы:

1) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К ним относятся проекционные аппараты, фотоаппараты, киноаппараты и др.

2) приборы, которые действуют только совместно с человеческими глазами и не образуют изображений на экране. К ним относится лупа, микроскоп и различные приборы системы телескопов. Такие приборы называются визуальными.

Рассмотрим ряд оптических приборов, которые используются человеком в современном мире.

1. Фотоаппарат

Современные фотоаппараты имеют сложное и разнообразное строение, мы же рассмотрим из каких основных элементов состоит фотоаппарат и как они работают. Основной частью любого фотоаппарата является объектив - линза или система линз, помещенная в передней части светонепроницаемого корпуса фотоаппарата (рис. слева). Объектив можно плавно перемещать относительно пленки для получения на ней четкого изображения близких или отдаленных от фотоаппарата предметов. Во время фотографирования объектив приоткрывают при помощи специального затвора, который пропускает свет к пленке лишь в момент фотографирования. Диафрагма регулирует световой поток, который попадает на пленку. Фотоаппарат дает уменьшенное, обратное, действительное изображение, которое фиксируется на пленке.

При фотографировании предмет всегда располагается за двойным фокусом перед объективом, а изображение получается за объективом (на пленке) между фокусом и вторым фокусом

 

Под действием света состав пленки изменяется и изображение запечатлевается на ней. Оно остаётся невидимым до тех пор, пока пленку не опустят в специальный раствор - проявитель. Под действием проявителя темнеют те места пленки, на которые падал свет. Чем больше было освещено какое-нибудь место пленки, тем темнее оно будет после проявления. Полученное изображение называется негативом (от лат. negativus - отрицательный), на нем светлые места предмета выходят темными, а темные светлыми.тобы это изображение под действием света не изменялось, проявленную пленку погружают в другой раствор - закрепитель. В нем растворяется и вымывается светочувствительный слой тех участков пленки, на которые не подействовал свет. Затем пленку промывают и сушат.

С негатива получают позитив (от лат. pozitivus - положительный), т. е. изображение, на котором темные места расплолжены так же как и на фотографируемом предмете. Для этого негатив прикладывают с бумаге тоже покрытой светочувствительным слоем (к фотобумаге), и освещают. Затем фотобумагу опускают в проявитель, потом в закрепитель, промывают и сушат.

После проявления пленки при печатании фотографий пользуются фотоувеличителем, который увеличивает изображение негатива на фотобумаге.

2. Прекционный аппарат

Проекционный аппарат (проектор) предназначен для получения на экране действительного перевернутого, увеличенного изображения. Пожтому плёнку располагают вверх ногами, между фокусом и двойным фокусом объектива, чтобы получить правильное изображение.

3. Телескоп

Для рассматривания отдаленных предметов служат зрительные трубы или телескопы. Назначение телескопа - собрать как можно больше света, от исследуемого объекта и увеличить его видимые угловые размеры. Основной оптической частью телескопа служит объектив, который собират свет и создаёт изображение источника.Есть два основных типа телескопов: рефракторы (на основе линз) и рефлекторы (на основе зеркал). Простейший телескоп - рефрактор, как и микроскоп, имеет объектив и окуляр, но в отличие от микроскопа объектив телескопа имеет большое фокусное расстояние, а окуляр - малую. Поскольку космические тела находятся на очень больших расстояниях от нас, то лучи от них идут параллельным пучком и собираются объективом в фокальной плоскости, где получается обратное, уменьшенное, действительное изображение. Чтобы сделать изображение прямым, используют еще одну линзу.

 4. Лупа

Чтобы лучше рассмотреть мелкие предметы, приходится пользоваться лупой. Лупой называется двояковыпуклая линза с небольшим фокусным расстоянием (от 10 до 1 см). Лупа является простейшим прибором, позволяющим увеличит угол зрения. Наш глаз видит только те предметы, изображение которых получается на сетчатке. Чем больше изображение предмета, тем больше угол зрения под которым мы его рассматриваем, тем отчетливее мы его различаем. Многие предметы малы и видны с расстояния наилучшего видения под углом зрения, близким к предельному. Лупа увеличивает угол зрения, а также изображение предмета на сетчатке глаза, поэтому видимые размеры предмета увеличиваются по сравнению с его действительными размерами. Предмет располагают между лупой и её фокусом, изображение получают на сетчатке прямое, мнимое, увеличенное.

Предмет АВ размещают на расстоянии, немного меньшей фокусного, от лупы (рис.). При этом лупа дает прямое, увеличенное, мысленное изображение А^,А^,,. Лупу обычно размещают так, чтобы изображение предмета находилось на расстоянии наилучшего видения от глаза d₀ = 25см. Увеличение, которое даёт лупа равно отношению расстояния наилучшего видения к фокусному расстоянию лупы

Обычно фокусное расстояние лупы равно 10 см. Данная формула позволяет рассчитать увеличение, даваемое лупой, если предмет помещают в фокальной плоскости или между лупой и её передним фокусом.

Если поместить предмет ближе фокальной плоскости, то можно получить немного большее увеличение:.

5. Микроскоп

Для получения больших угловых увеличений (от 20 до 2000) используют оптические микроскопы. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получают с помощью оптической системы, которая состоит из двух собирающих линз объектива (дальше от глаза) и окуляра (ближе к глазу), это простейший микроскоп. Предмет АВ размещается перед линзой, которая является объективом, на расстоянии d между фокусом и двойным фокусом:  F₁ < d < 2F₁ и рассматривается через окуляр, который используется как лупа. Увеличение микроскопа Г равно произведению увеличения объектива Г_об на увеличение окуляра Г_ок:  Г = Г_обГ_ок, где Г_об- увеличение объектива, где- расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра( F₁ F₂); а Г_ок- увеличение окуляра.

Тогда увеличение микроскопа можно определить по формуле:.

6. Глаз

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защищают его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г. Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего светового потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Помимо сосудов радужная оболочка содержит большое количество пигментных клеток, в зависимости от их содержания и глубины залегания радужная оболочка имеет различный цвет. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества, то она кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света и иногда страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слой. Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение передается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз.

Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Упрощенная оптическая схема глаза

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза. Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.

В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения бесконечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близкие предметы.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наибольшем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза.

При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сетчаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см.

 Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета.

В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см, хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным.

Дефекты зрения. Очки

У некоторых людей в ненапряжённом состоянии глаза изображение изображение удалённых предметов образуется не на сетчатке, а перед ней. Такие люди не могут отчётливо видеть удалённые предметы (синий луч). Этот дефект называется близорукостью (миопией). При близорукости расстояние наилучшего видения меньше 25см (зелёный луч). Близорукость вызывается либо вытянутостью глазного яблока, либо спазмом циллиарной мышцы.

Близоруким людям необходимы очки с рассеивающими линзами. Пройдя через такую линзу, лучи света фокусируются хрусталиком точно на сетчатку. Поэтому близорукий человек, вооруженный очками, может рассматривать удаленные предметы, как и человек с нормальным зрением.

Другие люди хорошо видят далекие предметы (синий луч), но не могут различить те, что находятся вблизи. У них в расслабленном состоянии изображение близких предметов получается за сетчаткой (зелёный луч). В результате изображение предмета "расплывается". Это возможно, когда ширина глаза недостаточно большая или хрусталик глаза плоский, тогда человек видит удаленные предметы четко, а близкие плохо. Этот недостаток зрения называется дальнозоркостью.

Особой формой дальнозоркости является старческая дальнозоркость или пресбиопия. Она возникает потому, что с возрастом снижается эластичность хрусталика, и он уже не сокращается так хорошо, как у молодых людей. Дальнозорким людям можно помочь с помощью очков с собирающими линзами.

 

Вернуться к конспектам урока