Реферат: Оптика

оглавление.

Введение… 2

Глава 1. Основные законы оптических явлений… 4

1.1 Закон прямолинейного распространения света… 4

1.2    Закон независимости световых пучков… 5

1.3    Закон отражения света… 5

1.4   Закон преломления света… 5

Глава 2. Идеальные оптические системы… 7

Глава 3. Составляющие оптических систем… 9

3.1 Диафрагмы и их роль в оптических системах… 9

3.2 Входной и выходной зрачки… 10

Глава 4. Современные оптические системы… 12

4.1 Оптическая система… 12

4.2 Фотографический аппарат… 13

4.3  Глаз как оптическая система… 13

Глава 5. Оптические системы, вооружающие глаз… 16

5.1 Лупа… 17

5.2 Микроскоп… 18

5.3 Зрительные трубы… 20

5.4 Проекционные устройства… 21

5.5 Спектральные аппараты… 22

5.6 Оптический измерительный прибор… 23

Заключение… 28

Список литературы… 29


Введение.

Оптика — разделфизики, в котором изучается природа оптического излучения (света), егораспространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтомуоптика — часть общего учения об электромагнитном поле.

Оптика — этоучение о физических явлениях, связанных с распространением короткихэлектромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно 10-5-10-7м. Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем,что внутри нее в узком интервале длин волн от 400-760 нм лежит участок видимогосвета, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом. Он ограничен содной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазономрадиоизлучения. С точки зрения физики происходящих процессов выделение стольузкого спектра электромагнитных волн (видимого света) не имеет особого смысла,поэтому в понятие «оптический диапазон» включает обычно ещё и инфракрасноеи ультрафиолетовое излучение.

Ограничениеоптического диапазона условно и в значительной степени определяется общностьютехнических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Дляэтих средств  и методов характерны основанные на волновых свойствах излученияформирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейныеразмеры которых много больше длины λ излучения, а  так же использованиеприёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.

По традицииоптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическаяоптика оставляет вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов егораспространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся иотражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейныхв оптически однородной среде. Её задача — математически исследовать ходсветовых лучей в среде с известной зависимостью показателя преломления n от координат либо, напротив, найти оптические свойства иформу прозрачных и отражающих сред, при которых лучи происходят по заданномупути. Наибольшее значение геометрической оптики имеет для расчёта иконструирования оптических приборов — от очковых линз до сложных объективов иогромных астрономических  инструментов.

Физическая оптикарассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений.Утверждение, что свет есть поперечные  электромагнитные волны, основано нарезультатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света,интерференции, поляризации света и распространения в анизотропных средах.

Одна из важнейшихтрадиционных задач оптики — получение изображений, соответствующих оригиналамкак по  геометрической форме, так и по распределению яркости решается главнымобразом геометрической оптикой с привлечением физической оптики. Геометрическаяоптика дает ответ на вопрос, как следует строить оптическую систему для того,чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранениигеометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искаженийизображения и их уровень в реальных оптических системах. Для построенияоптических систем существенна технология изготовления оптических материалов стребуемыми свойствами, а также технологию обработки оптических элементов. Изтехнологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала сосферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышениякачества изображений при высокой светосиле используют оптические элементы.

Глава 1. Основныезаконы оптических явлений.

Уже  в первые  периодыоптических исследований были на опыте установлены следующие  четыре основныхзакона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света.

2. Законнезависимости световых пучков.

3. Законотражения от зеркальной поверхности.

4. Закон преломлениясвета на границе двух прозрачных сред.

Дальнейшееизучение этих законов показало, во-первых, что они имеют гораздо более глубокийсмысл, чем может казаться  с первого взгляда, и  во-вторых, что их применение ограничено, и они являются лишь приближёнными законами. Установление условий играниц применимости основных оптических законов означало важный прогресс висследовании природы света.

Сущность этихзаконов сводится к следующему.

1.1 Законпрямолинейного распространения света.

В однороднойсреде свет распространяется по прямым линиям.

Закон этотвстречается в сочинениях по оптике, приписываемых Евклиду и, вероятно, былизвестен и применялся гораздо раньше.

Опытнымдоказательством этого закона могут служить наблюдения над резкими тенями,даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощималых отверстий. Рис. 1 иллюстрирует получение изображения  при помощи малогоотверстия, причем форма и размер изображения показывают, что проектированиепроисходит при помощи прямолинейных лучей.

/>        А                  

                                                                                                                                 B'                 

                                                                                                              

                                                                                                                         A'

          В

                                                     200см                                                 20см

            Рис.1  Прямолинейное распространение света:получение изображения с помощью малого отверстия.

Законпрямолинейного распространения может считаться прочно установленном на опыте.Он имеет весьма глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-видимому возниклоиз оптических наблюдений. Геометрическое понятие прямой как линии, представляющейкратчайшее расстояние между двумя точками, есть понятие о линии, по которойраспространяется свет в однородной среде.

Более детальноеисследование описываемых явлений показывает, что закон прямолинейного  распространениясвета теряет силу, если мы переходим к очень малым отверстиям.

Так, в опыте,изображенном на рис. 1, мы получим хорошее изображение при размере отверстияоколо 0,5 мм. При последующем уменьшении отверстия — изображение будет несовершенным,а при отверстии около 0,5-0,1 мкм изображение совсем не получится и экран будетосвещён практически равномерно.

   1.2    Законнезависимости световых пучков.

Световой потокможно разбить на отдельные световые пучки, выделяя их, например, при помощидиафрагм. Действие этих выделенных световых пучков оказывается независимым,т.е. эффект, производимый  отдельным пучком, не зависит от того, действуют лиодновременно другие пучки или они устранены.

1.3    Закон отражениясвета.

Луч падающий,нормаль к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в одной плоскости (рис.2), причем углы между лучами и нормалью равны между собой: угол падения i равен углу отражения  i'. Этотзакон также упоминается в сочинениях Евклида. Установление его связано супотреблением полированных металлических поверхностей (зеркал), известных уже вочень отдаленную эпоху.

/> 

Рис. 2  Закон отражения.

           

                                                                Рис. 3  Закон преломления.

1.4  Закон преломления света.

Преломлениесвета – изменение направления распространения оптического излучения (света) приего прохождении через границу раздела однородных изотропных прозрачных (непоглощающих) сред с показателем преломления  n1 и  n2.Преломление света определяется следующими двумя закономерностями:преломленный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль(перпендикуляр) к поверхности раздела; углы падения φ и

преломления χ  (рис.3) связанызаконом преломления Снелля :

           

sinφ

sinχ

  />n1sinφ= n2sinχ или             = n,

где n – постоянная, не зависящая от углов φ и χ.Величина n – показатель преломления, определяетсясвойствами обеих сред, через границу раздела которых проходит свет, и зависиттакже от цвета лучей.

Преломление светасопровождается также отражением света.

На рис. 3 ходлучей света при преломлении на плоской поверхности, разделяющей две прозрачныесреды. Пунктиром обозначен отраженный луч. Угол преломления χ больше углападения φ; это указывает, что в данном случае происходит преломление изоптически более плотной первой среды в оптически менее плотную вторую (n1 > n2), n – нормаль к поверхностираздела.

Явлениепреломления света было известно уже Аристотелю. Попытка установить количественныйзакон принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г. н.э.), который предпринялизмерение углов падения и преломления.

Закон отражения и законпреломления также справедливы лишь при соблюдении известных условий. В томслучае, когда размер отражающего зеркала или поверхности, разделяющей двесреды, мал, мы наблюдаем заметные отступления от указанных выше законов.Однако для обширной области явлений, наблюдаемые в обычных оптических приборах,все перечисленные законы соблюдаются достаточно строго.  [ 3 ]


Глава 2. Идеальные оптические системы.

Гаусс (1841 г.)дал общую теорию оптических систем, получившую дальнейшее развитие в трудахмногих математиков и физиков.

Теория Гаусса есть теорияидеальной оптической, системы, т.е. системы, в которой сохраняется гомоцентричностьпучков и изображение геометрически подобно предмету. Согласно этому определениювсякой точке пространства объектов соответствует в идеальной системе точкапространства изображений; эти точки носят название сопряженных. Точно так жекаждой прямой или плоскости пространства объектов должна соответствоватьсопряженная прямая или плоскость пространства изображений. Таким образом,теория идеальной оптической системы есть чисто геометрическая теория,устанавливающая соотношение между точками, линиями, плоскостями.

Идеальнаяоптическая система может быть осуществлена с достаточным приближением в виде центрированнойоптической системы, если ограничиться областью вблизи оси симметрии, т.е.параксиальными пучками. В теории Гаусса требование «тонкости» системы отпадает, но лучи по-прежнему предполагаются параксиальными. Разыскание оптическойсистемы, которая приближалась бы к идеальной даже при пучках значительногораскрытия, есть такая задача прикладной геометрической оптики.

/>Линия, соединяющая центрысферических поверхностей, представляет собой ось симметрии центрированнойсистемы и называется главной оптической осью системы. Теория Гауссаустанавливает ряд так называемых точек и плоскостей, задание которых полностьюописывает все свойства оптической системы и позволяет пользоваться ею, нерассматривая реального хода лучей в системе.

  

 


Пусть ММ и NN – крайние сферические поверхности, ограничивающиесистему, и ОО1 – ее главная ось (рис. 4 ). Проведем луч А1В1, параллельный О1О2; точка В1 есть место входаэтого луча в систему. Согласно свойству идеальной системы лучу А1В1соответствует в пространстве изображений сопряженный луч G2F2,выходящий из системы в точке G2. Как  идет луч внутри системы нас не интересует. Второй луч  P1Q1 выберем вдоль главной оси. Сопряженныйему луч Q2P2 будет также идти вдоль главной оси. Точка F2 как пересечение двух лучей G2F2 и Q2P2есть изображение точки, в которой пересекаются лучи А1В1и P1Q1, />/>сопряженные с G2F2и Q2P2. Но так как А1В1   P1Q1, то точка, сопряженная с F2, лежит в бесконечности. Таким образом, F2 есть фокус (второй, или задний) системы. Плоскость, проходящаячерез фокус перпендикулярно к оси, носит название фокальной.

Любая точка линииH1R1 сопряжена с точкой линии H2R2, лежащей на такой же высоте от О1О2, как и выбранная.То же относится и к плоскостям, проведенным через H1R1 иH2R2. перпендикулярно к главной оси, т.к. вся системасимметрична относительно оси. Плоскость H1R1,изображается на H2R2 прямо и в натуральную величину.Такие плоскости называются главными плоскостями.

Таким образом,идеальная оптическая система обладает главными плоскостями. Точки H1и H2 пересечения главных плоскостей с осью носят название главныхточек системы. Расстояния от главных точек до фокусов называются фокуснымрасстоянием системы f1 = H1R1 и f2= H2R2 .   [ 3 ]


Глава 3. Составляющие оптических систем.

Реальные оптические системы дают удовлетворительноеизображение только при известном ограничении ширины действующих пучков лучей.Но даже и для идеальных систем, которые могли бы давать правильные изображенияплоского предмета при любом угле раскрытия пучков, их ограничение имеет существенноезначение.

3.1Диафрагмы и их роль в оптических системах.

Диафрагма – непрозрачная преграда, ограничивающаяпоперечное сечение световых пучков в оптических системах (в телескопах,дальномерах, микроскопах, кино- и фотоаппаратах и т.д.). роль диафрагм частоиграют оправы линз, призм, зеркал, и других оптических деталей, зрачок глаза,границы освещенного предмета, в спектроскопах – щели.

Любаяоптическая система – глаз вооруженный и невооруженный, фотографический аппарат,проекционный аппарат – в конечном счете рисует изображение на плоскости (экран,фотопластинка, сетчатка глаза); объекты же в большинстве случаев трёхмерны.Однако даже  идеальная оптическая система, не будучи ограниченной, не давала быизображений трехмерного объекта на плоскости. Действительно, отдельные точкитрехмерного объекта находятся на различных расстояниях от оптической системы, иим соответствуют различные сопряженные плоскости.

Светящаясяточка О (рис. 5) дает резкое изображение О` в плоскостиММ1 сопряженной с ЕЕ. Но точки А и В дают резкие изображения в A` и B`, а в плоскости ММ проектируютсясветлыми кружками, размер которых зависит от ограничения ширины пучков. Если бысистема не была ничем не ограниченна, то пучки от А и В освещали бы плоскостьММ равномерно, от есть не получилось бы никакого изображения предмета, а лишьизображение отдельных точек его, лежащих   в плоскости ЕЕ. 

/>

Рис. 5  Влияние диафрагмы на глубину резкого изображения.

   

Чем уже пучки тем, тем отчетливее изображениепространства предмета на плоскости. Точнее, на плоскости изображается не сампространственный предмет, а та плоская картина, которая является проекцией предметана некоторую плоскость ЕЕ (плоскость установки), сопряженную относительносистемы с плоскостью изображения ММ. Центром проекции служит одна из точексистемы (центр входного зрачка оптического инструмента ).

Размеры  иположение диафрагмы определяют освещенность и качество изображения, глубину резкостии разрешающую способность оптической системы, поле зрения.

/>Диафрагма наиболее сильноограничивающая световой пучок, называется апертурной или действующей. Её рольможет выполнять оправа какой-либо линзы или специальная диафрагма ВВ, если этадиафрагма сильнее ограничивает пучки света, чем оправы линз.

/> /> /> /> />

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

  P                                                              Q1                                                                                P2                                                                                                                     

                                                               

               

  Q                                                                                                                                                 Q2           

                                       L1                                                                    

                                                                                                                               

                                                                                                                  

                                                                                                                    L2

  /> /> <td/>

Рис. 6. ВВ – апертурная диафрагма; В1В1 – входной зрачок; В2В2 – выходной зрачок.

 

Апертурнаядиафрагма ВВ нередко располагается между отдельными компонентами (линзами)сложной оптической системы (рис.6), но её можно поместить и перед системой илипосле её.

Если ВВ — действительная апертурная диафрагма (рис. 6), а В1В1 и В2В2 — её изображения в передней и задней частях системы, то все лучи, прошедшиечерез ВВ, пройдут через В1В1 и В2В2и на оборот, т.е. любая из диафрагм ВВ, В1В1, В2В2ограничивает активные пучки.   [3 ]

3.2 Входной и выходной зрачки.

Входным зрачком называется то из действительныхотверстий или их изображений, которое сильнее всего ограничивает входящийпучок, т.е. видно под наименьшим углом из точки пересечения оптической оси сплоскостью предмета.

Выходным зрачком называется отверстие или егоизображение, ограничивающее выходящий из системы пучок. Входной и выходнойзрачки являются сопряженными по отношению ко всей системе.

Роль входногозрачка может играть то или иное отверстие или его изображение (действительноеили мнимое). В некоторых важных случаях изображаемый предмет есть освещенноеотверстие (например, щель спектрографа), причем освещение обеспечиваетсянепосредственно источником света, расположенным недалеко от отверстия, или при помощи вспомогательного конденсора. В таком случае в зависимости от расположенияроль входного зрачка может играть граница источника или его изображения, илиграница конденсора и т.д.

Если апертурнаядиафрагма лежит перед системой, то она совпадает с входным зрачком, а выходнымзрачком явится её изображение в этой системе. Если она лежит сзади системы, тоона совпадает с выходными зрачком, а входным зрачком явится её изображение в системе.Если апертурная диафрагма ВВ лежит внутри системы (рис. 6), то её изображениеВ1В1 в передней части системы служит входным зрачком, аизображение В2В2 в задней части системы – выходным. Угол,под которым виден радиус входного зрачка из точки пересечения оси с плоскостьюпредмета, называется «апертурным углом», а угол, под которым виден радиусвыходного зрачка из точки пересечения оси с плоскостью изображения, есть уголпроекции или выходной апертурный угол.   [ 3 ]


Глава 4. Современные оптические системы.4.1Оптическая система.

Тонкая линзапредставляет простейшую оптическую систему. Простые тонкие линзы применяютсяглавным образом в виде стекол для очков. Кроме того, общеизвестно применениелинзы в качестве увеличительного стекла.

Действие многихоптических приборов – проекционного фонаря, фотоаппарата и других приборов — может быть схематически уподоблено действию тонких линз. Однако тонкая линзадает хорошее изображение только в том сравнительно редком случае, когда можноограничиться узким одноцветным пучком, идущим от источника вдоль главнойоптической оси или под большим углом к ней. В большинстве же практическихзадач, где эти условия не выполняются, изображение, даваемое тонкой линзой,довольно не совершенно. Поэтому в большинстве случаев прибегают к построениюболее сложных оптических систем, имеющих большое число преломляющихповерхностей и не ограниченных требованием близости этих поверхностей(требование, которому удовлетворяет тонкая линза ).   [ 4 ]

/>/>

4.2 Фотографический аппарат.

/>Оптический прибор,предназначенный для получения фотографических снимков находящихся перед нимпредметов, называют фотографическим аппаратом. Он состоит из светопроницаемойкамеры К (рис. 8 ) с подвижной передней стенкой, в которой находится объективО.


При фотографировании предмета АВ сначала с по­мощью перемещенияобъ­ектива на задней стенке аппарата получают резкое изображение предмета A1B1. Затем объектив закрывается и на зад­нейстенке фотоаппарата помещается пластинка или пленка П, покрытаясветочувствительным слоем. Затем объектив открывается на определенное время,называемое выдержкой. При этом на светочувствительном слое под действием светапроисходит химиче­ская реакция и возникает скрытое изображение предмета.

После проявления изакрепления с помощью специальных со­ставов изображение на пластинке или пленкестановится видимым. На полученном изображении светлые места предметовоказываются темными, а темные — светлыми и прозрачными, поэтому такое изоб­ражениеназывают негативом. Для получения обыкновенно­го фотоснимка, который называютпозитивом, на негатив накладывают светочувствительную бумагу и освещают еготак, чтобы лучи попадали на бумагу сквозь негатив. Через некоторое время на бумагевозникают скрытое изображение предмета. После проявления и закрепления на нейполучается уже обычная фотогра­фия предмета. С одного негатива можно получитьмного позитивов, т. е. фотоснимков.

Для « засвечивания »фотобумаги обычно используют фотоувеличитель (рис. 9). [ 2 ]

/>


4.3  Глаз как оптическая система.

Органом зрения человека являютсяглаза, которые во многих отношениях представляют со­бой весьма совершеннуюоптическую систему.

/>

/>В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром око­ло2,5 см, которое называют глазным яблоком (рис.10). Непрозрачную и прочнуювнешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклуюпереднюю часть — роговицей. С       внутренней стороны склера покрытасосудистой оболочкой, состоящей изкровеносных сосудов, питающих глаз. Против ро­говицы сосудистая оболоч­капереходит в радуж­ную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей,которая отделена от роговицы каме­рой с прозрачной водяни­стой массой.

В радужной оболочке имеется круглое отверстие,

называемоезрачком, диаметр которого может из­меняться. Таким образом, радужная оболочкаиграет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещениизрачок уменьшается, а при сла­бом освещении — увеличивается. Внутри глазногояблока за ра­дужной оболочкой расположен хрусталик, который представ­ляет собойдвояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около1,4. Хрусталик окаймляет кольце­вая мышца, которая может изменять кривизну егоповерхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистаяоболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительногонерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатуюоболочку, на которой получается действительное изображение предметов,создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой ихрусталиком заполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение.Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однакодеятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва,позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когда кольцеваямышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке. вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряженияпредметы, расположенные не ближе 6 м от глаза. Изображение более близкихпредметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для полученияотчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всёсильнее  до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затемудерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Таким образом,«наводка на фокус» глаза человека осуществляется изменением оптической силыхрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глазасоздавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстоянияхот него, называют аккомодацией ( от латинского «аккомодацио» –приспособление). При рассматривании очень далёких предметов в глаз попадаютпараллельные лучи. В этом случае говорят, что глаз аккомодирован набесконечность.

Аккомодацияглаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиватьсяне больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глазустает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается.

Глаза человекапозволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способностьглаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончаний светочувствительногонерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркости наблюдаемых объектовназывают адаптацией.

Сведениезрительных осей глаз на определенной точке называется конвергенцией. Когдапредметы расположены на значительном расстоянии от человека, то при пере воде глаз с одного предмета на другой между осями глаз практически не изменяется, ичеловек теряет способность правильно определять положение предмета. Когдапредметы находятся очень далеко, то оси глаз располагаются параллельно, ичеловек не может даже определить, движется предмет или нет, на который онсмотрит. Некоторую роль в определении положения тел играет и усилие кольцевоймышцы, которая сжимает хрусталик при рассматривании предметов, расположенныхнедалеко от человека.   [ 2 ]


Глава 5. Оптические системы, вооружающие глаз.

Хотя глаз и непредставляет собой тонкую линзу, в нем можно все же найти точку, через которуюлучи проходят практически без преломления, т.е. точку, играющую роль оптическогоцентра. Оптический центр глаза  находится внутри хрусталика вблизи заднейповерхности его. Расстояние h от оптического центра досетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза15 мм.

Зная положениеоптического центра, можно легко построить изображение какого-либо предмета насетчатой оболочке глаза. Изображение всегда действительное, уменьшенное  иобратное (рис.11, а). Угол φ, под  которым  виден предмет S1S2 из оптического центра О, называетсяуглом зрения.

Сетчатаяоболочка имеет сложное строение и состоит из отдельных светочувствительныхэлементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг кдругу, что их изображение на сетчатке попадают в один и тот же элемент,воспринимаются глазом, как одна точка. Минимальный угол зрения, под которымдве светящихся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазомещё раздельно, составляет приблизительно одну минуту. Глаз плохо распознаетдетали предмета, которые он видит под углом менее 1". Это угол, подкоторым виден отрезок, длина которого 1 см на расстоянии 34 см от глаза. Приплохом освещении ( в сумерках ) минимальный угол разрешения повышается и можетдойти до 1º.

/> /> /> /> /> <td/> /> /> />

Рис. 11. Коррекция изображения рассматриваемых предметов: а — угол зрения φ = S1' S2' / h = S1 S2 / D ;

               б – при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сетчатке ;  N = b' / b = φ' / φ .     

 

/>

Приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем

возможность лучше различать мелкиедетали. Однако очень близко к глазу приблизить мы не можем, так как способностьглаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятнымдля рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при которомглаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Эторасстояние называется расстоянием наилучшего зрения. для близорукого глаза эторасстояние несколько меньше. поэтому близорукие люди, помещая рассматриваемыйпредмет ближе к глазу, чем  люди с нормальным зрением  или дальнозоркие, видятего под большим углом зрения и могут лучше различать мелкие детали.

Значительноеувеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов.  По своемуназначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующиебольшие группы.

1.   Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп).Эти приборы как бы «увеличивают» рассматриваемые предметы.

2.   Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов(зрительная труба, бинокль, телескоп и т.п.). эти приборы как бы «приближают»рассматриваемые предметы.

Благодаряувеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображенияпредмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженномглазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей. Отношениедлины b на сетчатке в случае вооруженного глаза b' к длине изображения дляневооруженного глаза b  (рис.11, б) называется увеличением оптического прибора.

С помощью рис.11, б легко видеть, что увеличение N равно также отношению угла зрения φ'при рассматривании предмета через инструмент к углу зрения φ дляневооруженного глаза, ибо φ' и φ невелики.   [ 2,3 ]  Итак,

N = b' /  b  =  φ' /  φ ,

где  N –увеличение предмета ;

b' – длинаизображения на сетчатке для вооруженного глаза;

b — длинаизображения на сетчатке для невооруженного глаза;

φ' – уголзрения при рассматривании предмета через оптический инструмент;

φ – уголзрения при рассматривании предмета невооруженным глазом.

5.1 Лупа.

Одним из простейших оптических приборов являетсялупа – собирающая линза, предназначенная для рассматривания увеличенныхизображений малых объектов. Линзу подносят к самому глазу, а предмет помещаютмежду линзой и главным фокусом. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображениепредмета. Удобнее всего рассматривать предмет через лупу совершенноненапряженным глазом, аккомодированным на бесконечность. Для этого предмет помещаютв главной фокальной плоскости линзы так, что лучи, выходящие из каждой точкипредмета, образуют за линзой параллельные пучки. На рис. 12 изображено дватаких пучка, идущих от краев предмета. Попадая в аккомодированный набесконечность глаз, пучки параллельных лучей фокусируются на ретине и даютздесь отчетливое изображение предмета.

/> <td/> />
Угловое увеличение. Глаз находится очень близко к линзе, поэтому заугол зрения можно принять угол 2γ, образованный лучами, идущими от краевпредмета через оптический центр линзы. Если бы лупы не было, нам пришлось быпоставить предмет на расстоянии наилучшего зрения (25 см) от глаза и уголзрения был бы равен 2β. Рассматривая прямоугольные треугольники скатетами 25 см  и  F см и обозначая половину предмета Z, можем написать:

/>,

где 2γ – угол зрения, при наблюдении через лупу;

      2β — угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;

       F –расстояние от предмета до лупы;

       Z –половина длины рассматриваемого предмета.

Принимая во внимание, что через лупу рассматриваютобычно мелкие детали и поэтому углы γ и β малы, можно тангенсызаменить углами. Таким образом получится следующее выражение для увеличениялупы = />= />.

Следовательно, увеличениелупы пропорционально 1 / F, то есть её оптической силе.  [1]

5.2 Микроскоп.

Прибор, позволяющий получить большое увеличение прирассматривании малых предметов, называется микроскопом.

Простейший микроскоп состоит из двух собирающихлинз. Очень короткофокусный объектив  L1 даёт сильно увеличенноедействительное изображение предмета P'Q' (рис. 13), которое рассматриваетсяокуляром, как лупой.

/>


/>

P''Q''

PQ

  Обозначим линейное увеличение, даваемое объективом, через n1,а окуляром через n2, это значит, что      = n1   и                       =n2,

где P'Q' – увеличенное действительное изображение предмета;

PQ – размерпредмета;

P''Q'' — увеличенное мнимое изображение предмета;

n1– линейное увеличение объектива;

n2– линейное увеличение окуляра.

/>Перемножив эти выражения,получим           = n1 n2 ,

где PQ – размер предмета;

P''Q'' — увеличенное мнимое изображение предмета;

n1 –линейное увеличение объектива;

n2 –линейное увеличение окуляра.

Отсюда видно,что увеличение микроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом иокуляром в отдельности. Поэтому возможно построить инструменты, дающие оченьбольшие увеличения – до 1000 и даже больше. В хороших микроскопах объектив иокуляр — сложные.

Окуляр обычносостоит из двух линз объектив же гораздо сложнее. Желание получить большие увеличениязаставляют употреблять короткофокусные линзы с очень большой оптической силой.Рассматриваемый объект ставится очень близко от объектива и дает широкий пучоклучей, заполняющий всю поверхность первой линзы. Таким образом, создаютсяочень невыгодные условия для получения резкого изображения: толстые линзы инецентральные лучи. Поэтому для исправления всевозможных недостатков приходитсяприбегать к комбинациям из многих линз различных сортов стекла.

В современныхмикроскопах теоретический предел уже почти достигнут. Видеть в микроскоп можнои очень малые объекты, но их изображения представляются в виде маленькихпятнышек, не имеющих никакого сходства с объектом.

Прирассматривании таких маленьких частиц пользуются так называемым ультрамикроскопом,который представляет собой обычный микроскоп с конденсором, дающим возможностьинтенсивно освещать рассматриваемый объект сбоку, перпендикулярно осимикроскопа.

С помощьюультрамикроскопа удаётся обнаружить частицы, размер которых не превышает миллимикронов.

5.3 Зрительные трубы.

Простейшаязрительная труба состоит из двух собирающих линз. Одна линза, обращенная крассматриваемому предмету, называется объективом, а другая, обращенная кглазу наблюдателя — окуляром.

/> <td/> />
/>/>

L1

  Ход лучей в зрительной трубе показан на рис. 14./> <td/> />
Объектив L1 дает действительное обратное исильно уменьшенное изображение предмета P1Q1, лежащее около главного фокуса объектива. Окуляр помещают так, чтобыизображение предмета находилось в его главном фокусе. В этом положении окуляриграет роль лупы, при помощи которой рассматривается действительное изображениепредмета.

/>
Действие трубы, так же как и лупы, сводится к увеличению угла зрения. Припомощи трубы обычно рассматривают предметы, находящиеся на расстояниях, вомного раз превышающих её длину. Поэтому угол зрения, под которым предмет виденбез трубы, можно принять угол  2β, образованный лучами, идущими от краевпредмета через оптический центр объектива.

Изображениевидно под углом 2γ и лежит почти в самом фокусе Fобъектива и в фокусе  F1 окуляра.

Рассматривая двапрямоугольных треугольника с общим катетом Z', можемнаписать:

/>,

где  2γ — угол под которым видно изображение предмета;

2β — уголзрения, под которым виден предмет невооруженным глазом;

F — фокус объектива;

F1 — фокус окуляра;

Z' — половина длины рассматриваемого предмета.

Углы β и γ -не велики, поэтому можно с достаточным приближениемзаменить tgβ и tgγ угламии тогда увеличение трубы =/>/> ,

где  2γ — угол под которым видно изображение предмета;

2β — угол зрения, под которым виден предметневооруженным глазом;

F — фокус объектива;

F1 — фокус окуляра.

Угловоеувеличение трубы определяется отношением фокусного расстояния объектива кфокусному расстоянию окуляра. Чтобы получить большое увеличение, надо братьдлиннофокусный объектив и короткофокусный окуляр.   [ 1 ]

5.4 Проекционные устройства.

Для показазрителям на экране увеличенного изображения рисунков, фотоснимков или чертежейприменяют проекционный аппарат. Рисунок на стекле или на прозрачной пленке называютдиапозитивом, 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 случаевназывается эпидиаскопом.

Линзу, котораясоздает изображение находящегося перед ней предмета, называют объективом. Обычнообъектив представляет собой оптическую систему, у которой устранены важнейшиенедостатки, свойственные отдельным линзам. Чтобы изображение предмета на былохорошо видно зрителям, сам предмет должен быть ярко освещен.

Схема устройствапроекционного аппарата показана на рис.16.

Источник света S помещается в центре вогнутого зеркала (рефлектора) Р. светидущий непосредственно от источника  S и отраженный отрефлектора Р, попадает на конденсор К, который состоит из двухплосковыпуклых линз. Конденсор собирает эти световые лучи на

/>


объективе О, который уженаправляет их на экран Э, где получается изображение диапозитива Д.Сам диапозитив помещается между главным фокусом объектива и точкой, находящейсяна расстоянии 2F от объектива. Резкостьизображения на экране достигается перемещением объектива, которое частоназывается наводкой на фокус. [ 2 ]

5.5 Спектральные аппараты.

Для наблюденияспектров пользуются спектроскопом.

Наиболеераспространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, междукоторыми помещают трехгранную призму  ( рис. 17).

/>


В трубе А,называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой можно регулировать поворотомвинта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимоисследовать. Щель располагается в фокальной плоскости коллиматора, и поэтому световыелучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму,световые лучи направляются в трубу В, через которую наблюдают спектр. Еслиспектроскоп предназначен для измерений, то на изображение спектра с помощьюспециального устройства накладывается изображение шкалы с делениями, чтопозволяет точно установить положение цветовых линий в спектре.

При исследованииспектра часто бывает целесообразней сфотографировать его, а затем изучать с помощьюмикроскопа.

Прибор дляфотографирования спектров называется спектрографом.

Схемаспектрографа показана на рис. 18.

Спектр излученияс помощью линзы Л2 фокусируется на матовое стекло АВ, которое прифотографировании заменяют фотопластинкой.  [ 2 ]

/>


5.6 Оптический измерительный прибор.

Оптическийизмерительный прибор — средство измерения, в котором визирование (совмещение границконтролируемого предмета с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определениеразмера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия.Различают три группы оптических измерительных приборов: приборы с оптическимпринципом визирования и механическим способом отчета перемещения; приборы соптическим способом визирования и отчета перемещения; приборы,  имеющиемеханический контакт с измерительным прибором, с оптическим способомопределения перемещения точек контакта.

Из приборовпервой распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющихсложный контур, небольшие размеры.

Наиболеераспространенный прибор второй — универсальный измерительный микроскоп, вкотором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головноймикроскоп — на поперечной.

Приборы третьейгруппы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерками илишкалами. Их объединяют обычно под общим названием компараторы. К этой группеприборов относятся оптиметр (оптикатор, измерительная машина, контактный интерферометр,оптический дальномер и др.).

Оптическиеизмерительные приборы также широко распространены в геодезии  (нивелир,теодолит и др.).

Теодолит — геодезический инструмент для определения направлений и измерения горизонтальныхи вертикальных углов при геодезических работах, топографической  и маркшейдерскихсъемках, в строительстве и т.п.

Нивелир — геодезический инструмент для измерения превышений точек земной поверхности — нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных ит.п. работах.

В навигации широкораспространён секстант — угломерный зеркально-отражательный инструмент дляизмерения высот небесных светил над горизонтом или углов между видимымипредметами с целью определения координат места наблюдателя. Важнейшаяособенность секстанта — возможность совмещения в поле зрения наблюдателяодновременно двух предметов, между которыми измеряется угол, что позволяетпользоваться секстантом на самолёте и на корабле без заметного сниженияточности даже во время качки.

Перспективнымнаправлением в разработке новых типов оптических измерительных приборов являетсяоснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упроститьотсчет показаний и визирования, и т.п.   [ 5 ]


Глава6. Применение оптических систем  в науке и технике.

Применение, а также роль оптических систем в науке и технике очень велико. Не изучая оптическиеявления и не развивая оптические инструменты человечество не было бы на стольвысоком уровне развития техники.

Почти всесовременные оптические приборы предназначены для непосредственного визуальногонаблюдения оптических явлений.

Законы построенияизображения служат основой для построения разнообразных оптических приборов.Основной частью любого оптического прибора является некоторая оптическаясистема. В одних оптических приборах изображение получается на экране, другиеприборы предназначены для работы с глазом. в последнем случае прибор и глазпредставляют как бы единую оптическую систему и изображение получается насетчатой оболочке глаза.

Изучая некоторыехимические свойства веществ,  ученые изобрели способ закрепления изображения натвердых поверхностях, а для проецирования изображений на эту поверхность сталииспользовать оптические системы, состоящие из линз. Таким образом, мир получилфото- и киноаппараты, а с последующим развитием электроники появились видео- ицифровые камеры.

Для исследованиямалых объектов, практически незаметных глазу используют лупу, а если её увеличенияне достаточно, тогда применяют микроскопы. Современные оптические микроскопыпозволяют увеличивать изображение до 1000 раз, а электронные микроскопы вдесятки тысяч раз. Это даёт возможность исследовать объекты на молекулярномуровне.

Современныеастрономические исследования не были бы возможными без «трубы Галилея» и «трубыКеплера». Труба Галилея, нередко применяемая в обычном театральном бинокле,даёт прямое изображение предмета, труба Кеплера — перевернутое. Вследствиеэтого, если труба Кеплера должна служить для земных наблюдений, то еёснабжают оборачивающей системой (дополнительной линзой или системой призм ), врезультате чего изображение становится прямым. Примером подобного прибора можетслужить призменный бинокль.

Преимуществомтрубы Кеплера является то, что в ней имеется дополнительное промежуточное изображение, в плоскость которого можно поместить измерительную шкалу, фотопластинку дляпроизводства снимков и т.п. Вследствие этого в астрономии и во всех случаях,связанных с измерениями, применяется труба Кеплера.

Наряду стелескопами, построенными по типу зрительной трубы — рефракторами, весьмаважное значение в астрономии имеют зеркальные ( отражательные ) телескопы, илирефлекторы.

Возможностинаблюдения, которые даёт каждыё телескоп, определяются диаметром егоотверстия. Поэтому с давних времен научно техническая мысль направлена наотыскание

/>


способов изготовления большихзеркал и объективов.

С постройкойкаждого нового телескопа расширяется радиус наблюдаемой нами Вселенной.

/>Зрительное восприятиевнешнего пространства является сложным действием, в котором существенным обстоятельствомявляется то, что в нормальных условиях мы пользуемся двумя глазами. Благодарябольшой подвижности глаз мы быстро фиксируем одну точку предмета за другой; приэтом мы можем оценивать расстояние до рассматриваемых предметов, а такжесравнивать эти расстояния между собой. Такая оценка даёт представление оглубине пространства, об объемном распределении деталей предмета, делаетвозможным стереоскопическое зрение.

Стереоскопическиеснимки 1 и 2 рассматриваются с помощью линз L1 и L2, помещенных каждая перед одним глазом. Снимкирасполагаются в фокальных плоскостях линз, и следовательно, их изображениялежат в бесконечности. Оба глаза аккомодированы на бесконечность. Изображенияобоих снимков воспринимаются как один рельефный предмет, лежащий в плоскости S.

Стереоскоп внастоящее время широко применяется для изучения снимков местности. Производя фотографированиеместности с двух точек, получают два снимка, рассматривая которые в стереоскопможно ясно видеть рельеф местности. Большая острота стереоскопического зрениядаёт возможность применять стереоскоп для обнаружения подделок документов,денег и т.п.

В военныхоптических приборах, предназначенных для наблюдений (бинокли, стереотрубы ),расстояния между центрами объективов всегда значительно больше, чем расстояниемежду глазами, и удаленные предметы кажутся значительно более рельефными, чемпри наблюдении без прибора.

Изучение свойствсвета, идущего в телах с большим показателем преломления привело к открытиюполного внутреннего отражения. Это свойство широко применяется при изготовлениии использовании оптоволокна. Оптическое волокно позволяет проводить любое оптическоеизлучение без потерь. Использование оптоволокна в системах  связи позволилополучить высокоскоростные каналы для получения и отправки информации.

Полное внутреннееотражение позволяет использовать призмы вместо зеркал. На этом принципе построеныпризматические бинокли и перископы.

/>


Использованиелазеров и систем фокусоровки позволяет фокусировать лазерное излучение в однойточке, что применяется в резке различных веществ, в устройствах для чтения изаписи компакт-дисков, в лазерных дальномерах.

Оптическиесистемы широко распространены в геодезии для измерения углов и превышений(нивелиры, теодолиты, секстанты и др.).

Использованиепризм для разложения белого света на спектры привело к созданию спектрографов испектроскопов. Они позволяют наблюдать спектры поглощений и испусканий твердыхтел и газов. Спектральный анализ позволяет узнать химический состав вещества.

Использованиепростейших оптических систем – тонких линз, позволило многим людям с дефектамизрительной системы нормально видеть (очки, глазные линзы и т.д.).

Благодаряоптическим системам было произведено много научных открытий и достиженй.

Оптические системыиспользуются во всех сферах научной деятельности, от биологии до физики.Поэтому, можно сказать, что сфера применения оптических систем в науке итехнике – безгранична.  [ 4,6 ]


Заключение.

Практическоезначение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Изобретениетелескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейшиймир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопапроизвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чутьли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратурыявляется 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 выполнятьмногие работы, связанные со зрением.

Область явлений,изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшимобразом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптическиеметоды исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль вочень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физическихвоззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлогостолетия — теория относительности и теория квантов — зародились и взначительной степени развились на почве  оптических исследований. Изобретениелазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в еёприложениях 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.: Советскаяэнциклопедия, 1974. — Т.18. — 632с.

6.   Сивухин Д.В. Общий курс физики: Оптика — М.: Наука, 1980. — 751с. 

еще рефераты
Еще работы по физике