Znakom skutočného obrazu predmetu je to. Obrázky dané objektívom

Najjednoduchším prístrojom na vizuálne pozorovanie je lupa. Lupa je zbiehavá šošovka s malou ohniskovou vzdialenosťou (F< 10 см). Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет - в ее фокальной плоскости. Предмет виден через лупу под углом.

Kde h- veľkosť objektu. Pri pohľade na ten istý predmet voľným okom by mal byť umiestnený vo vzdialenosti d 0 = 25 cm najlepšia vízia normálne oko. Objekt bude viditeľný pod uhlom

Z toho vyplýva, že zväčšenie lupy je

Objektív s ohniskovou vzdialenosťou 10 cm poskytuje 2,5-násobné zväčšenie. Činnosť lupy je znázornená na obr. 13.

Ryža. 13. Pôsobenie lupy: a - predmet pozorujeme voľným okom zo vzdialenosti najlepšieho videnia d 0 = 25 cm; b - objekt sa pozerá cez lupu s ohniskovou vzdialenosťou F.

Jedným z najjednoduchších optických zariadení je lupa – zbiehavá šošovka určená na prezeranie zväčšených obrázkov malých predmetov. Šošovka sa priblíži k samotnému oku a objekt sa umiestni medzi šošovku a hlavné ohnisko. Oko uvidí virtuálny a zväčšený obraz objektu. Najpohodlnejšie je skúmať predmet cez lupu úplne uvoľneným okom, prispôsobeným do nekonečna. Za týmto účelom sa objekt umiestni do hlavnej ohniskovej roviny šošovky tak, aby lúče vychádzajúce z každého bodu objektu vytvárali paralelné lúče za šošovkou. Na obrázku sú dva takéto lúče vychádzajúce z okrajov objektu. Lúče paralelných lúčov, ktoré sa dostávajú do oka prispôsobené do nekonečna, sú zaostrené na sietnicu a tu poskytujú jasný obraz objektu.

Uhlové zväčšenie

Oko je veľmi blízko k šošovke, takže uhol pohľadu možno brať ako uhol 2 β , tvorené lúčmi vychádzajúcimi z okrajov objektu cez optický stred šošovky. Ak by neexistovala lupa, museli by sme objekt umiestniť do vzdialenosti najlepšieho videnia (25 cm) od oka a uhol pohľadu by bol 2 γ . Berúc do úvahy pravouhlé trojuholníky s nohami 25 cm a F cm a označuje polovicu predmetu Z, môžeme napísať:

,

Kde:
2β - uhol pohľadu pri pohľade cez lupu;
2γ - uhol pohľadu pri pozorovaní voľným okom;
F- vzdialenosť od objektu k lupe;
Z- polovica dĺžky predmetného predmetu.

Berúc do úvahy, že malé detaily sa zvyčajne pozerajú cez lupu (a teda uhly γ a β sú malé), dotyčnice môžu byť nahradené uhlami. Takto získame nasledujúci výraz pre zväčšenie lupy:

Preto je zväčšenie lupy úmerné, teda jej optickej mohutnosti.

Mikroskop

Mikroskop sa používa na získanie veľkých zväčšení pri pozorovaní malých predmetov. Zväčšený obraz predmetu v mikroskope získame pomocou optického systému pozostávajúceho z dvoch šošoviek s krátkym ohniskom - objektívu O1 a okuláru O2 (obr. 14). Objektív poskytne skutočne prevrátený zväčšený obraz objektu. Tento medziobraz je pozorovaný okom cez okulár, ktorého činnosť je podobná ako pri lupe. Okulár je umiestnený tak, že medziobraz je v jeho ohniskovej rovine; v tomto prípade sa lúče z každého bodu objektu šíria za okulárom v rovnobežnom lúči.

Ryža. 14. Dráha lúčov v mikroskope.

Imaginárny obraz Objekt pozorovaný cez okulár je vždy hore nohami. Ak sa to ukáže ako nepohodlné (napríklad pri čítaní malých písmen), môžete otočiť samotný objekt pred objektív. Preto sa uhlové zväčšenie mikroskopu považuje za kladnú hodnotu.

Ako vyplýva z obr. 14, uhol pohľadu φ objekt pozorovaný cez okulár pod malým uhlom,

Približne jeden môže dať d ≈ F 1 a f ≈ l, kde l- vzdialenosť medzi objektívom a okulárom mikroskopu („dĺžka tubusu“). Pri pohľade na ten istý predmet voľným okom

Výsledkom je, že vzorec pre uhlové zväčšenie γ mikroskopu sa stáva

Dobrý mikroskop dokáže zväčšiť niekoľko stokrát. Pri veľkých zväčšeniach sa začínajú objavovať difrakčné javy.

V skutočných mikroskopoch sú objektív a okulár zložité optické systémy, ktorý eliminoval rôzne aberácie.

Teleskop

Teleskopy (pozorovacie ďalekohľady) sú určené na pozorovanie vzdialených objektov. Pozostávajú z dvoch šošoviek – zbiehavej šošovky s veľkou ohniskovou vzdialenosťou smerujúcou k objektu (objektívu) a šošovky s krátkou ohniskovou vzdialenosťou (okulár) smerujúcej k pozorovateľovi. Pozorovacie ďalekohľady sú dvoch typov:

• Keplerov ďalekohľad určené na astronomické pozorovania. Poskytuje zväčšené prevrátené obrazy vzdialených objektov, a preto je pre pozemské pozorovania nepohodlný.
• Galileov pozorovací ďalekohľad, určený na pozemské pozorovania, ktorý poskytuje zväčšené priame snímky. Okulár v Galileovej trubici je divergujúca šošovka.

Na obr. 15 je znázornený priebeh lúčov v astronomickom ďalekohľade. Predpokladá sa, že oko pozorovateľa je akomodované do nekonečna, takže lúče z každého bodu vzdialeného objektu vychádzajú z okuláru v paralelnom lúči. Tento priebeh lúčov sa nazýva teleskopický. V astronomickom tubuse sa teleskopická dráha lúčov dosiahne za predpokladu, že vzdialenosť medzi objektívom a okulárom sa rovná súčtu ich ohniskových vzdialeností. l = F 1 + F 2 .

Pozorovací ďalekohľad (teleskop) sa zvyčajne vyznačuje uhlovým zväčšením γ . Na rozdiel od mikroskopu sú objekty pozorované cez ďalekohľad vždy vzdialené od pozorovateľa. Ak je vzdialený objekt viditeľný voľným okom pod uhlom ψ a pri pohľade cez ďalekohľad pod uhlom φ , potom uhlové zvýšenie je pomer

Uhlové zvýšenie γ ako aj lineárny nárast Γ , môžete priradiť znamienka plus alebo mínus v závislosti od toho, či je obrázok vzpriamený alebo prevrátený. Uhlové zväčšenie Keplerovej astronomickej trubice je záporné, zatiaľ čo uhlové zväčšenie Galileovej pozemskej trubice je kladné.

Uhlové zväčšenie pozorovacie ďalekohľady vyjadrené ako ohniskové vzdialenosti:

Ryža. 15. Dráha teleskopického lúča.

Sférické zrkadlá sa nepoužívajú ako šošovky vo veľkých astronomických ďalekohľadoch. Takéto teleskopy sa nazývajú reflektory. dobré zrkadlo jednoduchšie na výrobu a zrkadlá na rozdiel od šošoviek nemajú chromatickú aberáciu.

V Rusku bol zostrojený najväčší ďalekohľad na svete s priemerom zrkadla 6 m. Treba mať na pamäti, že veľké astronomické ďalekohľady sú určené nielen na zväčšenie uhlových vzdialeností medzi pozorovanými vesmírnymi objektmi, ale aj na zvýšenie toku svetla. energie zo slabo svietiacich predmetov.

Analyzujme schému a princíp fungovania niektorých rozšírených optických zariadení.

fotoaparát

Ryža. 16

Na miesto tohto obrazu sa umiestni fotografický film alebo fotografická platňa (potiahnutá svetlocitlivou emulziou s obsahom bromidu strieborného), objektív sa na chvíľu otvorí - film sa exponuje. Objaví sa na ňom skrytý obrázok. Pri vstupe do špeciálneho roztoku - vývojky sa „exponované“ molekuly bromidu strieborného rozkladajú, bróm sa unáša do roztoku a striebro sa uvoľňuje vo forme tmavého povlaku na osvetlených častiach platne alebo filmu; čím viac svetla dopadne na danú oblasť filmu počas expozície, tým bude tmavší. Po vyvolaní a umytí je potrebné obraz zafixovať, načo sa vloží do fixačného roztoku, v ktorom sa rozpúšťa neexponovaný bromid strieborný a odnáša sa z negatívu. Ukazuje sa obraz toho, čo bolo pred objektívom, s preskupením odtieňov - svetlé časti sa stali tmavými a naopak (negatívne).

Na získanie fotografie – pozitívu – je potrebné nejaký čas osvetľovať fotografický papier natretý rovnakým bromidom strieborným cez negatív. Po jeho prejavení a konsolidácii sa z negatívu získa negatív, teda pozitív, v ktorom budú svetlé a tmavé časti zodpovedať svetlým a tmavým častiam objektu.

Ak chcete získať obraz vysokej kvality veľký význam má zaostrovanie - spojenie obrazu a filmu alebo platne. Na tento účel mali staré fotoaparáty pohyblivú zadnú stenu, namiesto fotocitlivej dosky bola vložená doska z matného skla; jeho pohybom sa okom vytvoril ostrý obraz. Potom sa sklenená platňa vymenila za fotocitlivú a urobili sa fotografie.

V moderných fotoaparátoch na zaostrovanie sa používa výsuvná šošovka spojená s diaľkomerom. V tomto prípade zostávajú všetky množstvá zahrnuté vo vzorci šošovky nezmenené, vzdialenosť medzi šošovkou a filmom sa mení, kým sa nezhoduje s f. Aby sa zväčšila hĺbka ostrosti - vzdialenosti pozdĺž hlavnej optickej osi, v ktorej sú objekty zobrazené ostro - je šošovka zaclonená, t.j. jej clona sa zmenšuje. To však znižuje množstvo svetla vstupujúceho do zariadenia a zvyšuje požadovaný expozičný čas.

Osvetlenie obrazu, pre ktorý je šošovka zdrojom svetla, je priamo úmerné ploche jeho otvoru, ktorá je zase úmerná druhej mocnine priemeru d2. Osvetlenie je tiež nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti od zdroja k obrázku, v našom prípade takmer štvorcu ohniskovej vzdialenosti F. Osvetlenie je teda úmerné zlomku d2 / F2, čo sa nazýva clonový pomer. objektívu. Druhá odmocnina clonového pomeru sa nazýva relatívna clona a na šošovke sa zvyčajne uvádza vo forme nápisu: 1: F: d. Moderné fotoaparáty sú vybavené množstvom zariadení, ktoré uľahčujú prácu fotografa a rozširujú jeho možnosti (autoštart, sada objektívov s rôznou ohniskovou vzdialenosťou, expozimetre vrátane automatického, automatického alebo poloautomatického zaostrovania a pod.). Farebná fotografia je rozšírená. V procese masteringu - trojrozmerná fotografia.

Oko

ľudské oko z optického hľadiska ide o tú istú kameru (obr. 23). Rovnaký (skutočný, zmenšený, prevrátený) obraz je vytvorený na zadná stena oči - na fotosenzitívne žltá škvrna, v ktorom sú sústredené špeciálne koncovky zrakové nervy- šišky a prúty. Ich podráždenie svetlom sa prenáša do nervov v mozgu a spôsobuje pocit videnia. Oko má šošovku - šošovku, clonu - zrenicu, dokonca aj kryt šošovky - viečko. V mnohých ohľadoch je oko nadradené dnešným fotoaparátom. Zaostruje sa automaticky – meraním zakrivenia šošovky pôsobením očných svalov, teda zmenou ohniskovej vzdialenosti. Automaticky bránicové - zúžením zrenice pri prechode z tmavej miestnosti do svetlej. Oko dáva farebný obraz, "pamätá si" vizuálne obrazy. Vo všeobecnosti biológovia a lekári dospeli k záveru, že oko je časť mozgu, ktorá bola umiestnená na periférii.

Vízia s dvoma očami vám umožňuje vidieť predmet rôzne strany t.j. vykonávať trojrozmerné videnie. Experimentálne bolo dokázané, že keď človek vidí jedným okom, obraz z 10 m sa zdá byť plochý (pri základni - vzdialenosť medzi krajnými bodmi zrenice sa rovná priemeru zrenice). Pri pohľade dvoma očami vidíme plochý obraz zo vzdialenosti 500 m (základom je vzdialenosť medzi optickými stredmi šošoviek), to znamená, že veľkosť predmetov môžeme určiť okom, ktoré a o koľko bližšie alebo ďalej.

Na zvýšenie tejto schopnosti je potrebné zvýšiť základňu, to sa robí v prizmatických ďalekohľadoch a v iný druh diaľkomery (obr. 17).

Ryža. 17

Ale ako všetko na svete, ani taký dokonalý výtvor prírody, akým je oko, nie je bez chýb. Jednak oko reaguje len na viditeľné svetlo (a zároveň pomocou zraku vnímame až 90 % všetkých informácií). Po druhé, oko podlieha mnohým ochoreniam, z ktorých najčastejšie je krátkozrakosť – lúče sa zbiehajú bližšie k sietnici (obr. 18) a ďalekozrakosť – ostrý obraz za sietnicou (obr. 19).

V oboch prípadoch vzniká na sietnici neostrý obraz. Na tieto neduhy môže pomôcť optika. Pri krátkozrakosti je potrebné zvoliť okuliare s konkávnymi šošovkami príslušnej optickej mohutnosti. Pri ďalekozrakosti je naopak potrebné pomôcť oku priviesť lúče na sietnicu, okuliare by mali byť vypuklé a tiež primeranej optickej mohutnosti.

Všetko, čo sa bude v tejto lekcii preberať, bude popísané na príklade tenkej spojovacej šošovky, pretože táto šošovka je najbežnejšia.

Pripomeňme si hlavné body a línie šošovky. Tieto body zahŕňajú optický stred, hlavnú optickú os a ohniská šošovky.

Obráťme sa na obrázok (obr. 1)

Ryža. 1. Hlavné body šošovky

Diagram ukazuje, že zbiehavá šošovka je umiestnená kolmo na hlavnú optickú os. Priesečník hlavnej optickej osi s šošovkou (bod ) je optický stred šošovky, dve ohniská (), dva body dvojitého ohniska (). V tomto prípade uvažujeme o objektíve s rovnakým ohniskom, kedy pravý a ľavý objektív majú rovnakú ohniskovú vzdialenosť.

V prvom prípade bude objekt vo väčšej vzdialenosti, ako je dvojité zaostrenie. Objekt je zobrazený ako šípka.

Na zostrojenie bodu stačia dva lúče. Vyberajte si preto lúče, ktorých priebeh je známy.

Z bodu na šošovke smerujeme lúč rovnobežne s hlavnou optickou osou. Vďaka vlastnosti šošovky sa tento lúč bude lámať a prechádzať cez ohnisko. Druhý lúč nasmerujeme z bodu cez optický stred. Vďaka vlastnosti šošoviek bude tento lúč prechádzať šošovkou bez toho, aby došlo k lomu. Pri priesečníku dvoch lúčov dostaneme obraz bodu (obr. 2).

Ryža. 2. Schéma na zostrojenie obrazu bodu

Rovnakým spôsobom zostrojme bod. Z bodu smerujeme lúč rovnobežný s hlavnou osou na šošovku, tento lúč sa láme a prechádza ohniskom. Lúč bude prechádzať z bodu cez optický stred. Na priesečníku týchto lúčov dostaneme bod (obr. 3).

Ryža. 3. Schéma na zostrojenie obrazu predmetu

Spojením bodiek dostaneme obraz predmetu.

Treba si uvedomiť, že obraz je prevrátený, zmenšený a skutočný. Vidíme bod pod optickou osou, zatiaľ čo samotný objekt má bod nad optickou osou.

Obraz vytvárajú lúče, ktoré prešli šošovkou, preto sa takýto obraz nazýva skutočný.

Zvážte nasledujúci obrázok.

Objekt je medzi dvojitým ohniskom a ohniskom objektívu. Použime rovnaké lúče na získanie obrazu bodiek. Ich spojením získame obraz predmetu (obr. 4).

Ryža. 4. Schéma na zostavenie obrazu, keď je objekt medzi nimi

Čím bližšie je zdroj svetla alebo objekt zaostrený, tým väčší bude obraz objektu. Obraz subjektu zostal prevrátený, zväčšil sa a zostal platný.

Na nasledujúcom obrázku zostrojíme obraz objektu, ktorý presne zapadol do ohniska alebo ohniskovej roviny. Rovina kolmá na hlavnú optickú os a prechádzajúca ohniskom sa nazýva ohnisková alebo ohnisková rovina (obr. 5).

Ryža. 5. Schéma na zostrojenie obrazu predmetu, do ktorého spadol

Všimnite si, že ak sa objekt nachádza v ohniskovej rovine, potom nezískame žiadny obrázok. Lúče, ktoré smerujeme, sú navzájom rovnobežné, a preto nedávajú obraz. V tomto prípade budeme cez objektív pozorovať rozmazané pole.

Zvážte prípad, keď sa objekt nachádza medzi ohniskom a šošovkou (obr. 6).

Ryža. 6. Schéma na zostrojenie obrazu objektu, ktorý je bližšie

Berieme rovnaké lúče. Z bodu vstupuje lúč do šošovky, láme sa, prechádza cez ohnisko. Lúč, ktorý prechádza z bodu cez optický stred, sa neláme. Tieto dva lúče sú divergentné, čo znamená, že sa nebudú pretínať. Ale ich pokračovania sa pretnú. Práve tie nám dajú obraz bodka – bodka.

Rovnakým spôsobom zostrojíme bod . Jeden lúč prejde cez ohnisko, druhý lúč - cez optický stred, priesečník nástavcov dá bod B′.

V tomto prípade bude obraz imaginárny, pretože nebol získaný pomocou samotných lúčov, ale pomocou ich rozšírení. Obrázok bude vzpriamený a zväčšený.

Na základe tejto vlastnosti konvergentných šošoviek je postavené také zariadenie ako lupa. Pomocou lupy sa získajú zväčšené, imaginárne, priame obrázky. Lupa je šošovka, ktorá je vložená do rámu a má veľké zakrivenie. Takáto šošovka má veľmi krátku ohniskovú vzdialenosť, preto sa jej hovorí krátka ohnisková vzdialenosť. Výsledkom je, že takýto objektív dáva veľmi dobré zväčšenie keď uvažujeme o malých predmetoch.

Treba poznamenať, že mnohé optické prístroje, ako napríklad mikroskop, teleskop, pozostávajú z veľkého počtu šošoviek. Zahŕňajú difúzne šošovky.

Pomocou šošoviek môžete nielen zbierať alebo rozptyľovať svetelné lúče, ale ako dobre viete, môžete získať aj rôzne obrázky objektu. Pomocou zbiehajúcej šošovky sa pokúsime získať obraz svietiacej žiarovky alebo sviečky.

Zvážte techniky vytvárania obrázkov. Na zostrojenie bodu stačia iba dva lúče. Preto sa volia dva takéto nosníky, ktorých priebeh je známy. Ide o lúč rovnobežný s optickou osou šošovky, ktorý pri prechode šošovkou pretína optickú os v ohnisku. Druhý lúč prechádza stredom šošovky a nemení svoj smer.

Už viete, že na oboch stranách šošovky na jej optickej osi je ohnisko šošovky F. Ak medzi šošovku a jej ohnisko umiestnime sviečku, tak na tej istej strane šošovky, kde sa nachádza sviečka, pozri zväčšený obraz sviečky, jej priamy obraz ( obr. 157).

Ryža. 157. Priamy obraz sviečky

Ak je sviečka umiestnená za ohniskom šošovky, jej obraz zmizne, ale na druhej strane šošovky, ďaleko od nej, sa objaví nový obraz. Tento obrázok bude zväčšený a obrátený vzhľadom na sviečku.

Vezmime si vzdialenosť od zdroja svetla k šošovke väčšiu ako je dvojnásobná ohnisková vzdialenosť šošovky (obr. 158). Označujeme ho písmenom d, d > 2F. Presunutím clony za šošovku na ňu môžeme dostať reálny, zmenšený a prevrátený obraz svetelného zdroja (objektu). V pomere k objektívu bude obraz medzi ohniskom a dvojnásobnou ohniskovou vzdialenosťou, t.j.

F< f < 2F.

Ryža. 158. Obraz vytvorený šošovkou, keď je vzdialenosť od svetelného zdroja väčšia ako dvojité ohnisko

Takýto obraz je možné získať pomocou fotoaparátu.

Ak priblížite predmet k šošovke, potom sa jeho prevrátený obraz vzdiali od šošovky a veľkosť obrazu sa zväčší. Keď je objekt medzi bodmi F a 2F, t.j. F< d < 2F, его действительное, увеличенное и перевёрнутое изображение будет находиться за двойным фокусным расстоянием линзы (рис. 159)

Ryža. 159. Obraz vytvorený objektívom, keď je objekt medzi zaostrením a dvojitým zaostrením

Ak je objekt umiestnený medzi ohniskom a šošovkou, t.j< F, то его изображение на экране не получится. Посмотрев на свечу через линзу, мы увидим imaginárny, priamy a zväčšený obrázok(Obr. 160). Je to medzi ohniskom a dvojitým ohniskom, t.j.

F< f < 2F.

Ryža. 160. Obraz vytvorený šošovkou, keď je objekt medzi ohniskom a šošovkou

Veľkosť a umiestnenie obrazu predmetu v zbiehajúcej šošovke teda závisí od polohy predmetu vzhľadom na šošovku.

V závislosti od toho, ako ďaleko je objekt od objektívu, môžete získať buď zväčšený obrázok (F< d < 2F), или уменьшенное (d >2F).

Zvážte konštrukciu obrázkov získaných pomocou divergentnej šošovky.

Keďže lúče prechádzajúce cez ňu sa rozchádzajú, divergentná šošovka nevytvára skutočné obrazy.

Obrázok 161 ukazuje konštrukciu obrazu objektu v divergentnej šošovke.

Ryža. 161. Budovanie obrazu v divergentnej šošovke

Divergujúca šošovka dáva zmenšený, imaginárny, priamy obraz, ktorý je na tej istej strane šošovky ako objekt. Nezávisí od polohy objektu vzhľadom na šošovku.

Otázky

1. Aká vlastnosť šošoviek umožňuje ich široké využitie v optických zariadeniach?
2. Ako sa mení obraz vytvorený zbiehavou šošovkou?
3. Pomocou obrázkov 159 a 160 nám povedzte, ako bol vytvorený obrázok objektu a aké sú vlastnosti tohto obrázku. Kde sa to nachádza?
4. Pomocou obrázku 158 nám povedzte, za akých podmienok poskytuje šošovka zmenšený skutočný obraz objektu,
5. Prečo sú obrázky predmetov na obrázkoch 158 a 159 platné?
6. Uveďte príklady použitia šošoviek v optických prístrojoch.
7. Prečo konkávna šošovka nevytvára skutočný obraz?
8. Pomocou obrázku 161 povedzte, ako je obraz zabudovaný v divergencii šošovky. ako sa to stane?

Cvičenie 49

Návod na cvičenie 49

Naučiť sa správne zostaviť obraz objektu daný objektívom a zložitejší optické zariadenia, kreslenie sa musí vykonať v nasledujúcom poradí:

1. Nakreslite šošovku a nakreslite jej optickú os.
2. Na oboch stranách objektívu si odložte jeho ohniskové vzdialenosti a dvojité ohniskové vzdialenosti (na nákrese majú ľubovoľnú dĺžku, ale sú rovnaké na oboch stranách objektívu).
3. Zobrazte predmet tam, kde je uvedený v úlohe.
4. Nakreslite dráhu dvoch lúčov vychádzajúcich z krajného bodu objektu.
5. Pomocou priesečníka lúčov, ktoré prešli šošovkou (skutočné alebo imaginárne), nakreslite obraz objektu.
6. Urobte záver: aký obrázok je prijatý a kde sa nachádza.