Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 38. Оптичні прилади та їх застосування

За своїм призначенням оптичні прилади поділяють на дві групи: 1. Прилади для розгляду дрібних об’єктів (лупа, мікроскоп). 2. Прилади для розгляду віддалених об’єктів (зорові труби, біноклі, телескопи).

Лупа — короткофокусна збиральна лінза (фокусна відстань 10-100 мм), яку використовують для розгляду дрібних предметів (мал. 2.82). Як правило, лупу розміщують поближче до ока, а предмет між лінзою і її головним фокусом — поблизу останнього (мал. 2.83).

Мал. 2.82

Мал. 2.83

Збільшення лупи визначають за формулою:

де d0 — відстань найкращого зору (d = 25 см); F — фокусна відстань лінзи.

Приклад. Визначимо збільшення лупи при фокусній відстані 0,25 мм.

Згідно з попередньою формулою:

З формули

випливає, що за допомогою лупи можна отримати досить велике збільшення. Для цього здавалося б потрібно лише зменшити фокусну відстань лупи. А використовувати лінзи з малою фокусною відстанню, а отже, і з малим діаметром, складно. Тому лупи зі збільшенням у понад 40 разів практично не використовують.

Для отримання більших збільшень використовують оптичний мікроскоп (мал. 2.84). Оптична система мікроскопа складається з двох основних частин: об’єктива і окуляра. Оптична система мікроскопа побудована так, що через окуляр розглядається не сам предмет, а його дійсне, збільшене зображення, яке отримане за допомогою об’єктива.

Мал. 2.84

Невеликий предмет В розміщують перед об’єктивом (короткофокусною збиральною лінзою) на відстані d (F < d < 2F), поблизу головного фокуса об’єктива F1 (мал. 2.85). За допомогою об’єктива отримують дійсне, обернене, збільшене зображення В'. Це зображення слугує предметом для окуляра. Зображення В' розміщене між окуляром і його головним фокусом F2, поблизу останнього. Через окуляр зображення В' розглядається як через лупу. Утворене зображення В" є уявним, оберненим відносно предмета В і збільшеним.

Мал. 2.85

Збільшення мікроскопа обчислюють за формулою: k = kоб · kок, де kоб — збільшення об’єктива; kок — збільшення окуляра. Оптичний мікроскоп дає збільшення у 3000 разів.

У бінокулярному мікроскопі (мал. 2.86) використовують стереоскопічний ефект, що дає змогу сприймати зображення об’ємно.

Мал. 2.86

Зорова труба — оптичний прилад, призначений для розгляду віддалених предметів (мал. 2.87).

Мал. 2.87

Складається зорова труба з об’єктива і окуляра. Об’єктив і окуляр є складними оптичними системами, але для спрощення вважатимемо їх тонкими лінзами. Об’єктив зорової труби має бути збиральною системою, а окуляр може бути і збиральною, і розсіювальною системою.

Зорову трубу з розсіювальним окуляром називають трубою Галілея, а зорову трубу із збиральним окуляром — трубою Кеплера.

Зорова труба збільшує розміри зображення віддаленого предмета на сітківці ока, діючи так, ніби предмет «наблизився» до ока. Таким чином, зорова труба збільшує кут зору.

Труба Галілея, яку використовують у театральному біноклі, утворює пряме зображення.

Труба Кеплера дає обернене зображення, а тому, якщо її використовують у наземних спостереженнях, то потрібно використовувати ще оборотні призми. Прикладом такого застосування є польовий бінокль (мал. 2.88). Перевагою труби Кеплера перед трубою Галілея є те, що в ній є дійсне проміжне зображення, у площині якого можна розмістити вимірювальну шкалу.

Мал. 2.88

Телескопи. Уперше зорову трубу в астрономічних дослідженнях використав Галілео Галілей у 1610 р. Телескоп Галілея мав збільшення у 32 рази.

Телескопи, сконструйовані за типом зорової труби Кеплера, називають рефракторами.

У телескопі-рефракторі (мал. 2.89) світлові промені від небесного тіла потрапляють в об’єктив. Відстань від Землі до світила є досить великою порівняно з фокусною відстанню лінзи, що зображення світила отримується у головному фокусі лінзи об’єктива. Зображення світила буде дійсним, оберненим, зменшеним. Це зображення розглядається в окуляр як через лупу.

Мал. 2.89

Поряд з телескопами-рефракторами використовують дзеркальні телескопи — рефлектори.

На сферичне дзеркало телескопа-рефлектора (мал. 2.90) падають світлові промені від небесного тіла. Відстань від Землі до світила є досить великою порівняно з фокусною відстанню дзеркала, що зображення світила отримується в головному фокусі дзеркала. Зображення світила буде дійсним, оберненим і зменшеним. Для того щоб зручно було розглядати це зображення, поблизу головного фокуса дзеркала розміщують невелике плоске дзеркало, яке повертає світлові промені. Зображення, яке утворює сферичне дзеркало, розглядається в окуляр як через лупу.

Мал. 2.90

Найбільшим телескопом-рефлектором в Україні є дзеркальний телескоп імені Г. А. Шайна (мал. 2.91). Він розміщений у Кримській астрофізичній обсерваторії, діаметр його дзеркала становить 2,64 м. На момент створення телескопа (1960) він був найбільший у Європі і третій у світі.

Мал. 2.91

У 1990 р. на навколоземну орбіту було виведено американський оптичний телескоп Габбл. Дані, які збирає телескоп, спочатку накопичуються на його борту, а потім передаються на Землю.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Хто вивчав закони геометричної оптики?
  • 2. Сформулюйте основні закони геометричної оптики.
  • 3. Розкажіть, як потрібно будувати зображення за допомогою лінз і дзеркал.
  • 4. Які оптичні прилади ви знаєте і де їх використовують?

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Світловий промінь з повітря падає на скляну пластинку так, що заломлений і відбитий промені взаємно перпендикулярні. Визначити кут падіння (мал. 2.92).

Мал. 2.92

Розв’язання

2. На відстані 15 см від двоопуклої лінзи, оптична сила якої 10 дптр, поставлено перпендикулярно до оптичної осі предмет заввишки 2 см. Визначте положення та висоту зображення. Побудуйте хід променів, предмета і зображення.

Розв’язання

Мал. 2.93