38. Оптические приборы

Определения и обозначения

Оптический прибор — устройство, использующее линзы или зеркала для получения и наблюдения изображений. Линзы преломляют свет, а зеркала отражают его, поэтому прибор может направить лучи так, чтобы изображение стало удобным для глаза или оказалось на экране. Такие устройства нужны, когда предметы трудно рассмотреть без помощи оптики. К ним относятся лупа, фотоаппарат и телескоп.

Лупа — собирающая линза, позволяющая видеть предмет под большим углом зрения; предмет располагают между линзой и её фокусом. Фокус — точка, в которой после преломления собираются лучи, шедшие параллельно главной оптической оси. В таком положении лупа образует увеличенное мнимое изображение. Её используют, чтобы рассматривать мелкие детали.

Фотоаппарат — прибор, в котором объектив создаёт действительное уменьшенное изображение предмета на светочувствительной матрице или плёнке. Действительное изображение можно получить на поверхности, куда приходят сами лучи. Матрица или плёнка регистрирует свет и сохраняет изображение. Объектив состоит из линз, которые собирают свет и помогают навести резкость.

Телескоп — прибор для наблюдения удалённых объектов; объектив создаёт их изображение, которое рассматривают через окуляр. Объектив собирает свет от далёкого предмета, а окуляр помогает увидеть его изображение под большим углом. Поэтому телескоп используют для наблюдений за небесными телами и другими удалёнными объектами. Увеличение зависит от фокусных расстояний обеих частей прибора.

Как это устроено

Собирающая линза изменяет направление световых лучей: параллельные главной оптической оси лучи после неё сходятся около фокуса. Если лучи от одной точки предмета действительно встречаются, получается действительное изображение; если встречаются только продолжения расходящихся лучей, изображение мнимое. Поэтому положение предмета относительно фокуса меняет и место, и свойства изображения. Например, при расстоянии больше фокусного изображение действительное и перевёрнутое, а при расстоянии меньше фокусного — мнимое и прямое.

В фотоаппарате объектив собирает лучи от разных точек предмета и направляет их на светочувствительную матрицу или плёнку. Чтобы изображение было резким, места пересечения лучей должны совпасть с плоскостью матрицы; для этого при фокусировке меняют положение элементов объектива. Если лучи сходятся перед матрицей или за ней, вместо чётких точек получаются размытые пятна. Количество света регулируют диафрагмой и временем, в течение которого открыт затвор: света должно хватить для записи изображения, но избыток может сделать его слишком ярким.

Лупа увеличивает не сам предмет, а угол, под которым глаз видит его изображение. Для этого предмет помещают между линзой и фокусом: после линзы лучи расходятся, а глаз воспринимает их так, будто они идут от увеличенного изображения за линзой. Поскольку изображение мнимое и прямое, его нельзя получить на экране, но его можно видеть сквозь линзу. Чем удобнее расположены лупа и предмет, тем легче разглядеть мелкие детали.

Телескоп нужен потому, что далёкий объект занимает небольшой угол зрения и от него приходит мало света. Объектив с большим фокусным расстоянием собирает свет и создаёт изображение объекта около своей фокальной плоскости. Окуляр рассматривает это изображение как лупа и направляет лучи в глаз так, чтобы угол зрения стал больше. В результате наблюдатель различает детали, которые без телескопа сливались бы.

Объектив и окуляр выполняют разные задачи, хотя оба могут быть линзами. Объектив первым принимает свет и формирует изображение предмета; именно его фокусное расстояние влияет на размер этого изображения. Окуляр не создаёт исходное изображение объекта, а помогает глазу рассмотреть уже созданное объективом. Это различие особенно важно при сравнении фотоаппарата и телескопа: в фотоаппарате изображение фиксирует матрица, а в телескопе его рассматривают через окуляр.

Оптические приборы и особенности их действия

Сравнивай приборы по двум вопросам: где образуется изображение и как его видит человек. Если изображение попадает на матрицу, оно действительное; если его рассматривают через окуляр, оценивай также роль линз для глаза. Таблица помогает не смешивать назначение объектива и окуляра.

Разбор задач

Задача 1. Предмет рассматривают через лупу. Где относительно фокуса должна находиться лупа, чтобы изображение было увеличенным и мнимым? Нужно определить положение предмета относительно собирающей линзы и её фокуса. Увеличенное мнимое изображение возникает при расположении предмета ближе к линзе, чем фокус.

1. Вспомним правило для собирающей линзы: если расстояние от предмета до линзы меньше фокусного расстояния, изображение мнимое и прямое.
2. Для лупы предмет размещают между линзой и фокусом. Значит, расстояние от предмета до линзы должно быть меньше фокусного расстояния.
3. В этом положении изображение также увеличено, поэтому лупа подходит для рассматривания мелких деталей.

Ответ: предмет должен находиться между лупой и её фокусом.

Задача 2. Объектив фотоаппарата сфокусирован на предмете. Определить, каким должно быть изображение на матрице: действительным или мнимым, прямым или перевёрнутым, увеличенным или уменьшенным. Для обычного снимка предмет находится далеко от объектива, то есть дальше двойного фокусного расстояния. Поэтому применяем правило построения изображения собирающей линзой для такого положения.

1. Изображение должно попадать на матрицу, следовательно, оно действительное: его образуют сами световые лучи, а не их продолжения.
2. Для предмета за двойным фокусом собирающая линза формирует изображение между фокусом и двойным фокусом. Оно перевёрнутое и уменьшенное.
3. Фокусировка нужна, чтобы это действительное изображение оказалось точно на поверхности матрицы, а не перед ней или за ней.

Ответ: изображение действительное, перевёрнутое и уменьшенное.

Задача 3. Телескоп имеет объектив с фокусным расстоянием 80 см и окуляр с фокусным расстоянием 4 см. Найти угловое увеличение телескопа. Здесь важно не сравнивать диаметры линз: увеличение определяется отношением фокусных расстояний объектива и окуляра.

1. Запишем формулу для углового увеличения по модулю: M = Fоб / Fок, где Fоб — фокусное расстояние объектива, а Fок — окуляра.
2. Подставим значения в одинаковых единицах: M = 80 см / 4 см = 20. Единицы сокращаются, поэтому увеличение безразмерное.
3. Полученное число показывает, во сколько раз увеличивается угол зрения по сравнению с наблюдением без телескопа.

Ответ: угловое увеличение телескопа равно 20.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что лупа увеличивает предмет при любом расстоянии до него. Обычно так думают, потому что лупу связывают только с увеличением, забывая о правиле построения изображения. Проверь положение предмета: для увеличенного мнимого изображения он должен быть между линзой и фокусом. Если предмет отодвинуть дальше, свойства изображения изменятся.

Ошибка — называть изображение на матрице мнимым или, наоборот, считать изображение в окуляре действительным. Их путают, потому что оба изображения можно увидеть глазами. Проверка простая: изображение на матрице создают сами лучи, значит, оно действительное; окуляр помогает рассматривать изображение, которое нельзя поймать экраном в обычной схеме наблюдения.

Ошибка — считать, что объектив телескопа сам увеличивает изображение для глаза. Объектив действительно собирает свет и строит изображение, но рассматривать его под большим углом помогает окуляр. Чтобы проверить себя, назови функцию каждой части по порядку: сначала объектив формирует изображение, затем окуляр позволяет его изучать.

Ошибка — путать фокусное расстояние с расстоянием от предмета до линзы. Эти величины могут обсуждаться рядом, но обозначают разное: фокусное расстояние характеризует линзу, а расстояние до предмета зависит от того, где он расположен. Проверь, что именно дано в условии, прежде чем применять правило или формулу.

Связь с другими темами

Для понимания оптических приборов нужны правила построения изображений в собирающей линзе, а также понятия фокуса и фокусного расстояния. Тема связана со строением глаза: его оптическая система тоже создаёт действительное изображение на светочувствительной оболочке, сетчатке. Знание действия линз пригодится при изучении микроскопов, телескопов и других оптических систем. Во всех них важно выяснить, какая часть формирует изображение и как его рассматривают.

Что запомнить

• Оптические приборы используют линзы или зеркала для получения и наблюдения изображений.
• Лупа — собирающая линза; предмет для увеличенного мнимого изображения помещают между линзой и фокусом.
• Объектив фотоаппарата создаёт действительное изображение на матрице или плёнке.
• В телескопе объектив формирует изображение удалённого объекта, а окуляр помогает его рассматривать.
• Изображение, создаваемое объективом фотоаппарата, обычно перевёрнутое и уменьшенное.
• Действие оптического прибора зависит от расположения предмета и характеристик его линз.