Фізика. 9 клас. Головко
§ 20. Найпростіші оптичні прилади
• Оптичні прилади для спостереження дрібних об’єктів
• Оптичні прилади для спостереження віддалених об’єктів
• Прилади для фіксації зображень
ОПТИЧНІ ПРИЛАДИ ДЛЯ СПОСТЕРЕЖЕННЯ ДРІБНИХ ОБ’ЄКТІВ. Для того, щоб більш зручно розглядати дрібні деталі певного предмета або ж предмети, які розташовані далеко від спостерігача, використовують оптичні прилади. Будова і принцип дії оптичних приладів базуються на законах геометричної оптики.
За призначенням оптичні прилади, які озброюють око людини, можна поділити на дві групи: прилади, які призначені для спостереження дрібних об’єктів (лупи, мікроскопи); прилади для спостереження далеких об’єктів (зорові труби, телескопи тощо). Оптичні прилади, що озброюють око людини, дають уявне зображення предмета. Кожен із таких оптичних приладів має свою характеристику — кутове збільшення.
Одним із простих оптичних приладів є лупа — збиральна лінза або система лінз з малою фокусною відстанню (зазвичай не більше 10 см). Лупу розміщують близько від ока, а предмет розташовують у її фокальній площині. У цьому випадку промені від точок об’єкта будуть паралельними і на сітківці ока, майже без його напруження, утворюється чітке зображення точок предмета.
Рис. 20.1. Оптичні прилади для спостереження дрібних об’єктів: а) лупа; б) мікроскоп
Лінза з великою оптичною силою має бути дуже опуклою, що призводить до зменшення її геометричних розмірів та ускладнює використання, тому лупи зі збільшенням понад 40 разів зазвичай не застосовують.
Якщо необхідно одержати збільшення більше, ніж може дати лупа, використовують мікроскопи. Мікроскоп складається з двох або більше лінз. Лінзу, розташовану ближче до предмета, називають об’єктивом. Дійсне, збільшене зображення предмета, створене об’єктивом, розглядають крізь окуляр. У результаті загальне збільшення виходить досить великим.
ОПТИЧНІ ПРИЛАДИ ДЛЯ СПОСТЕРЕЖЕННЯ ВІДДАЛЕНИХ ОБ’ЄКТІВ. Для спостереження об’єктів для яких ми не можемо наблизитися використовують прилади, які називають зоровими трубами. Зоровими трубами є підзорні (далекоглядні) труби, біноклі, телескопи та інші більш спеціальні прилади.
Перша зорова труба була винайдена Галілеєм в 1609 р. (рис. 20.2). Окуляром у його зоровій трубі була розсіювальна лінза. Промені, пройшовши крізь трубу, створювали уявне, пряме, збільшене зображення предмета. За допомогою своєї зорової труби з 30 кратним збільшенням Галілей зробив ряд астрономічних відкриттів: виявив гори на Місяці, плями на Сонці, відкрив чотири супутники Юпітера, фази Венери, встановив, що Чумацький Шлях складається з великої кількості зірок.
Рис. 20.2. Труба Галілея
Одним із поширених приладів є зорова труба Кеплера, винайдена ним у 1630 р. Зорова труба Кеплера складається з двох збиральних лінз. За допомогою об’єктива зорової труби одержують зображення предмета поблизу ока. Після цього зображення предмета розглядають в окуляр як у лупу (рис. 20.3, а).
Дві зорові труби, з’єднані разом для спостереження предмета обома очима, називають біноклем (рис. 20.3, б).
Велику зорову трубу для спостереження небесних об’єктів називають телескопом (рис. 20.3, в). Збільшення великих телескопів перевищує 500 завдяки великій фокусній відстані об’єктива. За допомогою телескопа можна розрізняти на Місяці предмети менші від 1 м, а на Марсі — близько 100 м. За допомогою телескопів можна спостерігати дуже слабкі або віддалені зорі, а також зоряні скупчення — позагалактичні туманності.
Рис. 20.3. Прилади для спостереження віддалених об’єктів: а) зорова труба; б) бінокль; в) телескоп
ПРИЛАДИ ДЛЯ ФІКСАЦІЇ ЗОБРАЖЕННЯ. Для фіксації дійсного зображення предметів використовують фотоапарати або фотокамери. На відміну від лупи, мікроскопа, зорової труби та телескопа, фотоапарат (фотокамера) дають дійсні зображення. Розглянемо детальніше будову та принцип дії цифрового фотоапарата (камери) (рис. 20.4).
Рис. 20.4. Будова цифрового фотоапарата
Світло від Сонця або штучного джерела 1 спочатку відбивається від предметів, які перебувають перед об’єктивом фотокамери, а потім проходить через об’єктив 2, затвор 7. Затвор — це складний механізм, який керує тривалістю проходження світла через об’єктив. Після затвора світловий сигнал потрапляє на чутливий елемент, розташований на задній стінці корпусу фотокамери, — матрицю 8. Цей чутливий елемент є датчиком зображення. Він складається з мільйонів окремих світлочутливих пікселів, що перетворюють світловий сигнал в електричний.
Паралельно з цим процесом у дзеркальній фотокамері, до натискання на кнопку спуску затвора, світло, яке відбиває дзеркало 3, проходить крізь призму 4 і потрапляє у видошукач 5, який дає можливість бачити зображення в момент його зйомки. Коли відбувається зйомка, дзеркало піднімається і світло потрапляє на матрицю (у деяких моделях дзеркало нерухоме й напівпрозоре).
Інформація, отримана датчиком зображення, обробляється процесором, формуються файли даних зображення та записуються на носій інформації (карту для зберігання цифрових зображень) (рис. 20.5).
Весь цей процес відбувається досить швидко. Після його завершення фотокамера готується до експонування наступного зображення.
Рис. 20.5. Деякі елементи цифрового фотоапарата (камери): а) об’єктив; б) видошукач; в) датчик зображення; г) носій цифрової інформації
! Головне в цьому параграфі
Оптичні прилади призначені для того, щоб зручніше розглядати дрібні деталі певного предмета або предмети, розташовані далеко від спостерігача.
Оптичні прилади, які озброюють око людини дають уявне зображення предмета. Їх можна поділити на дві групи: прилади, які призначені для спостереження дрібних об’єктів (лупи, мікроскопи); прилади для спостереження далеких об’єктів (зорові труби, телескопи тощо).
Фотоапарат і фотокамера призначені для фіксації зображення предметів. На відміну від лупи, мікроскопа, зорової труби та телескопа, вони дають дійсні зображення предметів.
? Запитання для самоперевірки
- 1. Поясніть, для чого призначені зорові труби.
- 2. Поясніть будову та принцип дії зорової труби.
- 3. Назвіть недоліки зорової труби.
- 4. Для чого призначений мікроскоп?
- 5. Розкрийте призначення телескопа.
Вправа до § 20
1 (с). За допомогою рисунку поясніть принцип дії лупи.
2 (д). Юний винахідник спробував зробити мікроскоп з двох однакових збиральних лінз з фокусною відстанню F. Він розмістив ці лінзи на відстані 3,5 F одну від одної, а предмет висотою h — на відстані 1,5 F від першої лінзи (об’єктива). За допомогою рис. 20.6 встановіть розмір зображення предмета, що дає цей саморобний мікроскоп? Дайте характеристику цього зображення (пряме чи обернене, дійсне чи уявне, збільшене чи зменшене)?
Рис. 20.6. До завдання 2
3 (д). Обчисліть оптичну силу лупи, яка збільшує розміри предмета у 8 разів.
4 (в). Зорова труба, об’єктив якої налаштовано на спостереження Місяця має фокусну F = 30 см. Визначте, в який бік і на скільки потрібно перемістити окуляр, щоб за допомогою труби можна було роздивлятися предмет, розміщений на відстані d = 10 м від об’єктива?
