"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Глаз — оптическая система, которая собирает свет и формирует на сетчатке изображение, а мозг помогает воспринимать его как картину окружающего мира. Хрусталик меняет свою кривизну, поэтому глаз может наводить резкость на предметы, расположенные на разных расстояниях. Лупа, микроскоп и телескоп тоже управляют светом: они увеличивают угол зрения и делают заметными мелкие или далёкие объекты. Понимание их устройства объясняет и коррекцию зрения, и принцип работы оптических приборов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Глаз как оптическая система — совокупность частей, которые преломляют свет и формируют изображение. Основную часть преломления обеспечивают роговица и хрусталик, а сетчатка воспринимает получившееся изображение. Такое описание помогает понять, как свет от предмета превращается в зрительный сигнал.
Аккомодация — способность глаза менять свою оптическую силу, то есть степень преломления света, изменяя кривизну хрусталика. Для близкого предмета хрусталик становится более выпуклым, а для далёкого — более плоским. Благодаря этому резкость можно наводить на предметы на разных расстояниях.
Ближайшая точка ясного зрения — наименьшее расстояние, с которого глаз различает предмет без напряжения аккомодации. Её используют как ориентир при оценке того, насколько близко удобно рассматривать мелкие детали. Для задач часто принимают расстояние наилучшего зрения D = 25 см.
Угловое увеличение — отношение угла, под которым предмет виден через оптический прибор, к углу зрения невооружённым глазом. Его обозначают Γ и записывают как отношение этих углов. Эта величина показывает, насколько прибор делает предмет заметнее, а не во сколько раз меняет его физический размер.
Свет от каждой точки предмета проходит через роговицу, затем через зрачок и хрусталик, после чего попадает на сетчатку. Роговица сильно преломляет свет, а хрусталик помогает точнее сфокусировать лучи. Лучи от верхней части предмета попадают на нижнюю часть сетчатки, а лучи от нижней — на верхнюю, поэтому изображение получается перевёрнутым; оно действительное, поскольку образовано реальным пересечением лучей, и уменьшенное из-за размеров глаза.
Чтобы видеть предметы на разных расстояниях, глаз меняет кривизну хрусталика, а вместе с ней и оптическую силу. При взгляде на близкий предмет ресничные мышцы позволяют хрусталику стать выпуклее и сильнее преломлять свет; при взгляде вдаль его кривизна уменьшается. Поэтому фокус лучей от предмета перемещается так, чтобы изображение попадало на сетчатку, а не перед ней или за ней.
При близорукости лучи от далёкого предмета фокусируются перед сетчаткой, поэтому удалённые объекты видны нечётко. Рассеивающая линза делает лучи перед глазом более расходящимися, и после преломления в глазу фокус смещается назад, на сетчатку. При дальнозоркости фокус оказался бы за сетчаткой; собирающая линза заранее сводит лучи сильнее и переносит изображение вперёд.
Лупа, микроскоп и телескоп нужны, чтобы увеличить угол зрения: тогда изображение занимает больший угол в поле зрения и детали легче различить. Лупа — собирающая линза, через которую рассматривают предмет, находящийся около её фокуса. Микроскоп и телескоп используют две линзы: объектив создаёт промежуточное изображение, а окуляр позволяет рассмотреть его с большим угловым увеличением.
В микроскопе объектив строит увеличенное действительное промежуточное изображение близкого предмета, а окуляр работает как лупа. В телескопе объектив собирает почти параллельные лучи от далёкого объекта и создаёт изображение около своей фокальной плоскости. При нормальной настройке это промежуточное изображение располагается около фокальной плоскости окуляра, который направляет в глаз лучи для удобного наблюдения.
| Объект | Основные элементы | Как формируется изображение | Назначение |
|---|---|---|---|
| Глаз | Роговица, хрусталик, сетчатка | Оптические среды фокусируют свет на сетчатке; изображение действительное, уменьшенное и перевёрнутое | Восприятие света и окружающих предметов |
| Лупа | Собирающая линза | Даёт увеличенное мнимое изображение предмета около фокуса | Рассматривание мелких деталей |
| Микроскоп | Объектив и окуляр | Объектив создаёт увеличенное промежуточное изображение, окуляр увеличивает его для глаза | Наблюдение близких мелких объектов |
| Телескоп | Объектив и окуляр | Объектив создаёт изображение далёкого объекта около фокальной плоскости окуляра | Наблюдение далёких объектов |
Сначала найдите в таблице элементы прибора, затем проследите, где и каким образом возникает изображение. Сравнение показывает, что микроскоп и телескоп имеют объектив и окуляр, но рассчитаны на разные объекты. У лупы же увеличение обеспечивает одна линза.
У близорукого человека дальняя точка ясного зрения находится на расстоянии 2 м. Нужно определить оптическую силу очков для зрения вдаль. Для предмета на бесконечности очки должны создать мнимое изображение в дальней точке глаза, чтобы глаз мог сфокусировать его на сетчатке.
Отрицательный знак соответствует рассеивающим очкам, которые нужны при близорукости. Проверка здравого смысла: фокус линзы должен быть на расстоянии дальней точки, а не перед ней ближе к глазу. Ответ: оптическая сила очков −0,5 дптр.
Фокусное расстояние лупы равно 5 см, а предмет расположен вблизи фокуса. Найдём её угловое увеличение при обычной оценке через расстояние наилучшего зрения. Здесь D = 25 см, а для лупы, когда предмет рассматривают около фокуса, используют приближение Γ ≈ D/f.
Лупа увеличивает угол зрения примерно в пять раз по сравнению с наблюдением невооружённым глазом с расстояния наилучшего зрения. Увеличение не означает, что сам предмет становится крупнее. Ответ: Γ ≈ 5.
Фокусные расстояния объектива и окуляра равны 4 мм и 4 см, расстояние между линзами — 20 см. Оценим увеличение при нормальной настройке, когда промежуточное изображение находится около фокальной плоскости окуляра. Для оценки принимаем расстояние наилучшего зрения равным 25 см.
Так как объектив и окуляр последовательно увеличивают изображение, итоговое увеличение получается около 250, а не сумма двух увеличений. Расчёт приближённый: в нём пренебрегают толщиной линз и уточнениями, связанными с положением изображения. Ответ: увеличение микроскопа примерно 250 раз.
Считать, что при аккомодации хрусталик перемещается вперёд и назад, — неверно: меняется его кривизна, а значит, и оптическая сила. Такую ошибку легко допустить, представляя фокусировку как передвижение детали камеры. Проверьте себя: в объяснении аккомодации должны фигурировать изменение формы хрусталика и преломления света.
Близорукость и дальнозоркость иногда путают, потому что обе мешают получить чёткое изображение. При близорукости фокус удалённого предмета оказывается перед сетчаткой, а при дальнозоркости — за ней. Чтобы проверить диагноз в схеме, проследите, с какой стороны сетчатки пересекаются лучи.
Очки для близорукости не собирают лучи: они рассеивающие, тогда как дальнозоркость исправляют собирающими линзами. Путаница возникает из-за того, что хочется связать «недостаточную резкость» с линзой, которая сильнее собирает свет. Проверка проста: рассеивающая линза отодвигает фокус назад, а собирающая перемещает его вперёд.
Увеличения объектива и окуляра микроскопа нельзя складывать: объектив увеличивает промежуточное изображение, а окуляр увеличивает его для глаза. Сумма не учитывает последовательное действие частей оптической системы. Проверьте себя по смыслу: если прибор состоит из этапов увеличения, итог получают произведением увеличений.
Для понимания темы нужны знания о преломлении света, построении изображений в линзах, фокусном расстоянии и оптической силе. Эти понятия позволяют объяснить, как свет проходит через глаз или прибор и где возникает изображение. Позже тема поможет разобраться в волновой оптике и предельном разрешении приборов, то есть в ограничении на различение близких деталей.
Знание устройства глаза и свойств линз полезно при изучении коррекции зрения, камер и других оптических систем. В каждом случае важно выяснить, как линзы меняют ход лучей и где формируется изображение. Поэтому одни и те же правила применяются и к зрению человека, и к техническим устройствам.
Почему мы можем видеть предметы на разных расстояниях?
Глаз меняет оптическую силу, чтобы изображение предмета оставалось резким на сетчатке. Это происходит благодаря аккомодации — изменению кривизны хрусталика.
Как хрусталик помогает получить резкое изображение на сетчатке?
Хрусталик становится более или менее выпуклым и меняет, насколько сильно преломляет свет. Так глаз меняет фокусировку, не перемещая хрусталик внутри глаза.
Почему близорукость исправляют рассеивающими линзами?
При близорукости лучи от далёкого предмета без коррекции сходятся перед сетчаткой. Рассеивающая линза ослабляет их схождение и переносит фокус на сетчатку.
Как лупа делает мелкий предмет более заметным?
Лупа создаёт увеличенное мнимое изображение, которое глаз рассматривает под большим углом. Поэтому предмет занимает больше места в поле зрения, хотя его физический размер не меняется.
Чем телескоп отличается от микроскопа?
Микроскоп предназначен для близких мелких объектов, а телескоп — для далёких объектов, например небесных тел. В обоих приборах объектив создаёт промежуточное изображение, а окуляр помогает его рассмотреть.
§ 20. Глаз и оптические приборы
