§ 42. Оптические приборы

Определения и обозначения

Оптический прибор — устройство, которое с помощью линз или зеркал изменяет ход световых лучей, чтобы получить изображение или наблюдать предмет. Линза преломляет свет, то есть меняет направление лучей, а зеркало отражает его. Поэтому приборы помогают видеть детали предметов или получать их изображения.

Лупа — собирающая линза с малым фокусным расстоянием, позволяющая рассматривать предмет под большим углом зрения. Фокусное расстояние — расстояние от линзы до её фокуса, точки, где после линзы сходятся параллельные лучи. Лупа нужна, чтобы глаз мог различить мелкие детали.

Фотоаппарат — прибор, в котором объектив создаёт действительное уменьшенное изображение предмета на светочувствительной матрице или плёнке. Действительное изображение образуется там, где сходятся сами световые лучи, поэтому его можно зарегистрировать. Матрица или плёнка сохраняет полученное изображение.

Микроскоп — прибор с объективом и окуляром, предназначенный для рассматривания мелких предметов с увеличением. Объектив — линза со стороны предмета, а окуляр — линза со стороны глаза. Вместе они позволяют рассмотреть детали, которые не видны без прибора.

Как это устроено

Оптические приборы используют преломление света в линзах: луч меняет направление при переходе из воздуха в стекло и обратно. Форма линзы задаёт, будут ли лучи после неё сходиться или расходиться. Так можно направить свет от разных точек предмета в нужные места и получить изображение. Зеркала тоже управляют лучами, отражая их.

Лупу располагают близко к предмету, потому что её задача — дать глазу увеличенное изображение. Если предмет находится между линзой и её фокусом, после линзы лучи расходятся, а глаз воспринимает их так, будто они вышли из точки за линзой. Поэтому изображение мнимое и прямое: оно не образовано реальным пересечением лучей и сохраняет обычную ориентацию предмета. Глаз видит его увеличенным.

Объектив фотоаппарата собирает свет от каждой точки предмета на матрице или плёнке. Лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются, поэтому изображение выходит перевёрнутым; поскольку матрица находится в месте схождения лучей, изображение действительное. Обычно оно меньше предмета, чтобы целиком поместиться на матрице. Для резкости объектив перемещают так, чтобы изображение оказалось точно на светочувствительной поверхности.

В микроскопе объектив сначала создаёт увеличенное действительное изображение предмета. Оно служит промежуточным: окуляр не начинает работу с самого предмета, а рассматривает именно это изображение. Окуляр действует как лупа и даёт глазу ещё одно увеличение. Такой порядок позволяет получить большое общее увеличение и увидеть мелкие детали.

Телескоп нужен для наблюдения далёких объектов. Его объектив собирает свет, который приходит от удалённого предмета, и формирует изображение; окуляр помогает рассмотреть его. Удалённый объект может казаться маленьким, потому что занимает небольшой угол зрения. Оптическая система увеличивает этот угол, и детали становятся различимее.

Назначение и изображения в оптических приборах

Сначала найдите в таблице назначение прибора, затем сравните его оптические элементы. Последний столбец помогает отличить изображение, которое формируют лучи, от того, которое наблюдает глаз. Например, у фотоаппарата изображение попадает на матрицу, а в лупу смотрят непосредственно.

Разбор задач

Задача 1. Предмет помещён между лупой и её фокусом. Определите, каким будет изображение и где его увидит наблюдатель.

Нужно определить не только свойства изображения, но и понять, может ли оно возникнуть на экране. Для этого используем положение предмета относительно собирающей линзы и её фокуса.

1. Устанавливаем условие построения: предмет расположен между линзой и фокусом.
2. Для собирающей линзы в таком случае лучи после неё не сходятся за линзой, а расходятся. Если продолжить их назад, они пересекутся со стороны предмета.
3. Из этого следует, что изображение мнимое. Оно прямое и увеличенное, а наблюдатель видит его, глядя через лупу, как будто предмет находится дальше за линзой.

Ответ: изображение мнимое, прямое и увеличенное; его видит глаз через лупу. На экран такое изображение получить нельзя, поскольку реальные лучи в месте изображения не сходятся.

Задача 2. Фотоаппарат сфокусирован на удалённом предмете. Объясните, почему изображение возникает на матрице и каким оно будет.

Слово «сфокусирован» означает, что объектив настроен так, чтобы изображение предмета получилось именно на матрице. Проследим, что происходит со светом и почему матрица может его зарегистрировать.

1. Свет от предмета входит в объектив и преломляется в его линзах.
2. Объектив сводит лучи от каждой точки предмета в соответствующую точку на матрице. Значит, изображение образовано реальными лучами и является действительным.
3. Лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются, поэтому изображение перевёрнуто. Для далёкого предмета оно обычно меньше самого предмета.

Ответ: изображение возникает на матрице, потому что сфокусированные объективом лучи сходятся на её поверхности. Оно действительное, перевёрнутое и обычно уменьшенное.

Задача 3. В микроскопе объектив дал изображение предмета, которое рассматривают через окуляр. Объясните роль каждой линзы и последовательность увеличения.

Здесь важно разделить работу прибора на два этапа. Сначала изображение создаёт объектив, а затем окуляр помогает глазу рассмотреть уже готовое промежуточное изображение.

1. Помещённый близко к предмету объектив собирает прошедшие от него лучи и формирует увеличенное действительное изображение.
2. Это изображение становится объектом для окуляра. Следовательно, окуляр не создаёт изображение исходного предмета с нуля.
3. Окуляр действует как лупа: увеличивает промежуточное изображение для глаза. Поэтому итоговое наблюдение даёт больше деталей, чем рассмотрение предмета через одну линзу.

Ответ: объектив создаёт промежуточное увеличенное действительное изображение, а окуляр увеличивает его для глаза. Увеличение происходит последовательно, сначала в объективе, затем в окуляре.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любая линза просто увеличивает предмет. Такое представление возникает из-за привычки связывать линзы с лупой, но объектив фотоаппарата обычно создаёт уменьшенное изображение. Проверьте себя: спросите, куда попадает изображение и для чего прибор предназначен.

Ошибка: путать действительное и мнимое изображения. Их легко перепутать, если ориентироваться только на то, что изображение видно глазу. Проверьте себя: действительное изображение можно получить на экране, потому что в этой точке сходятся реальные лучи; мнимое на экран не проецируется.

Ошибка: считать, что окуляр микроскопа сам создаёт изображение предмета. Так думают, потому что именно через окуляр смотрят в прибор, но до него уже работает объектив. Проверьте себя: проследите путь от предмета к глазу и назовите, какая линза первой формирует промежуточное изображение.

Ошибка: полагать, что увеличение прибора меняет размер самого предмета. Путают предмет с его изображением, которое действительно может казаться крупнее. Проверьте себя: выньте предмет из прибора — его размеры останутся прежними, изменится только то, как его изображает оптическая система.

Связь с другими темами

Для понимания оптических приборов нужно знать, как свет преломляется в линзе и как строится изображение собирающей линзой. Эти знания позволяют объяснить, почему лупа даёт мнимое изображение, а объектив фотоаппарата фокусирует лучи на матрице. Тема также связана с устройством глаза: хрусталик фокусирует свет на сетчатке. Сравнение глаза, фотоаппарата, микроскопа и телескопа помогает понять общие принципы оптики и различия между приборами.

Что запомнить

• Оптические приборы управляют световыми лучами с помощью линз или зеркал.
• Лупа даёт увеличенное мнимое изображение, если предмет находится между линзой и её фокусом.
• Фотоаппарат создаёт действительное перевёрнутое изображение на матрице или плёнке.
• В микроскопе объектив формирует промежуточное изображение, а окуляр его увеличивает.
• Телескоп предназначен для наблюдения далёких объектов.
• Увеличение изображения не означает, что изменился сам предмет.