"Физика", Кабардин О.Ф.
Оптические приборы используют свет и линзы, чтобы получать изображения и помогать человеку видеть. Фотоаппарат создаёт изображение на матрице, проектор — на экране, а глаз фокусирует свет на сетчатке. В каждом случае важно, где именно сходятся лучи и каким получается изображение. Изменение кривизны хрусталика позволяет глазу видеть предметы на разных расстояниях, а очки с рассеивающими или собирающими линзами помогают исправить близорукость и дальнозоркость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фотоаппарат — прибор, который создаёт на светочувствительной плёнке или матрице действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предмета. Матрица или плёнка воспринимает свет и сохраняет получившуюся картину. Поэтому фотоаппарат позволяет записать изображение, а не только увидеть его.
Проекционный аппарат — прибор, который с помощью источника света и собирающей линзы получает на экране действительное увеличенное изображение. Собирающая линза сводит световые лучи так, чтобы они образовали изображение на экране. Такой прибор используют, когда нужно показать изображение сразу большой аудитории.
Глаз — оптическая система, в которой изображение предмета формируется на сетчатке, светочувствительной оболочке внутри глаза. Сетчатка воспринимает свет, а мозг помогает нам понять, что именно мы видим. Работа глаза похожа на действие камеры, но глаз не сохраняет изображение, а передаёт зрительную информацию.
Очки — оптический прибор с линзами, помогающий исправить нарушения зрения. Линзы изменяют направление световых лучей до того, как те попадут в глаз. Благодаря этому изображение может сфокусироваться на сетчатке.
В фотоаппарате свет от предмета попадает в объектив — систему линз, которая собирает лучи. Собирающая линза преломляет их так, что лучи от одной точки предмета сходятся в соответствующей точке изображения. Изображение действительное, потому что его можно получить непосредственно на плёнке или матрице, куда попадает свет. Чтобы оно было резким, меняют расстояние между объективом и светочувствительным слоем: так плёнка или матрица оказывается в месте, где сходятся лучи.
В проекционном аппарате источник света освещает прозрачное изображение, например слайд. Прошедшие через него лучи направляются к собирающей линзе, которая преломляет их и создаёт увеличенное изображение. Экран ставят именно там, где сходятся лучи от точек слайда: в этом месте изображение будет резким и его можно увидеть. Если экран сдвинуть, лучи не попадут в нужные точки на его поверхности, и изображение станет нечётким.
В глазу свет проходит через оптические среды и попадает на хрусталик — прозрачную линзу, способную менять свою форму. Хрусталик преломляет лучи и направляет их так, чтобы изображение получилось на сетчатке. Для близких и далёких предметов требуется разное преломление: лучи приходят в глаз под разными углами. Глаз меняет кривизну хрусталика, поэтому фокус изображения смещается и остаётся на сетчатке.
При близорукости лучи от далёкого предмета без очков сходятся раньше, чем достигают сетчатки. Поэтому изображение получается перед ней, и удалённые предметы видны плохо. Рассеивающая линза немного разводит лучи ещё до того, как они войдут в глаз. После преломления хрусталиком они фокусируются дальше — на сетчатке.
При дальнозоркости лучи от близкого предмета без коррекции сходятся за сетчаткой. Чтобы изображение оказалось на сетчатке, лучи нужно направить так, чтобы они сходились раньше. Это делает собирающая линза очков: она усиливает схождение света до его попадания в глаз. Поэтому близкий предмет можно видеть чётче.
Таблица помогает сравнить назначение приборов, их оптические элементы и место образования изображения. При чтении сначала найдите нужный прибор, а затем проследите, как его линза направляет лучи. Обратите внимание, что при коррекции зрения линза очков меняет ход лучей, но само изображение формируется в глазу.
| Прибор | Назначение | Основные оптические элементы | Где получается изображение и каким оно является |
|---|---|---|---|
| Фотоаппарат | Получение и сохранение изображения | Объектив, плёнка или матрица | На плёнке или матрице; действительное, уменьшенное, перевёрнутое |
| Проекционный аппарат | Показ изображения на экране | Источник света, собирающая линза, прозрачный слайд | На экране; действительное, увеличенное, перевёрнутое |
| Глаз | Восприятие изображения предметов | Хрусталик, сетчатка | На сетчатке; действительное, перевёрнутое |
| Очки при близорукости | Коррекция зрения вдаль | Рассеивающая линза и оптическая система глаза | На сетчатке после коррекции; изображение далёкого предмета |
| Очки при дальнозоркости | Коррекция зрения вблизи | Собирающая линза и оптическая система глаза | На сетчатке после коррекции; изображение близкого предмета |
Условие. Нужно объяснить, почему изображение на матрице фотоаппарата является действительным и перевёрнутым. Дано: объектив фотоаппарата содержит собирающую линзу, а матрица расположена за объективом. Ищем объяснение свойств изображения, а не численное значение.
Ответ. Изображение действительное, так как лучи сходятся непосредственно на матрице, и перевёрнутое, потому что лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются.
Условие. Требуется определить, на каком расстоянии от линзы поставить экран, чтобы получить резкое изображение. Численных данных о расстоянии до слайда и фокусном расстоянии нет. Поэтому найти расстояние в сантиметрах нельзя, но можно установить правило выбора места.
Ответ. Экран располагают в месте образования действительного изображения за линзой. Точное расстояние определяют по положению слайда и свойствам линзы либо настройкой аппарата.
Условие. Ученик плохо различает удалённые предметы, а близкие видит лучше. Требуется определить тип линзы для очков и объяснить её действие. Такое нарушение зрения называют близорукостью.
Ответ. При близорукости используют рассеивающие линзы. Они помогают перенести изображение далёкого предмета с области перед сетчаткой на сетчатку.
Ошибка: считать изображение фотоаппарата мнимым, потому что его нельзя увидеть, пока не рассматривать снимок. Такое рассуждение смешивает изображение в оптической системе с уже сохранённой фотографией. Матрица принимает сходящиеся лучи непосредственно, поэтому изображение на ней действительное. Проверка: спросите себя, можно ли получить изображение на светочувствительном слое.
Ошибка: ожидать, что изображение на экране проектора будет прямым. Её допускают, потому что экран показывает привычно ориентированную картину, но собирающая линза формирует перевёрнутое изображение. Слайд устанавливают с учётом этого переворота. Проверка: проследите, куда после линзы попадут лучи от верхней части слайда.
Ошибка: считать, что хрусталик перемещается внутри глаза, чтобы навести резкость. На самом деле фокусировка происходит главным образом из-за изменения его кривизны, а не положения. Изменение формы меняет преломление света и помогает сфокусировать изображение на сетчатке. Проверка: вспомните, какое свойство линзы меняется при работе глаза.
Ошибка: путать линзы для близорукости и дальнозоркости. Иногда выбирают их наугад, не выяснив, по какую сторону сетчатки возникает изображение без коррекции. При близорукости нужна рассеивающая линза, а при дальнозоркости — собирающая. Проверка: сначала определите, нужно ли сдвинуть фокус назад или вперёд, и только потом выбирайте линзу.
Чтобы понять работу оптических приборов, нужно знать закон прямолинейного распространения света, а также отражение и преломление света. Построение изображений в собирающих и рассеивающих линзах помогает проследить путь лучей в фотоаппарате, проекторе и глазу. Эти знания понадобятся при изучении строения глаза, зрения и способов его коррекции. Связь между положением изображения и свойствами линзы объясняет, почему разные нарушения зрения исправляют разными очками.
Почему изображение в фотоаппарате получается перевёрнутым?
Луч от верхней части предмета после прохождения через собирающую линзу направляется к нижней части изображения, а луч от нижней — к верхней. Поэтому лучи пересекаются и изображение на матрице оказывается перевёрнутым.
Почему экран проекционного аппарата нужно ставить в определённом месте?
Резкое изображение возникает там, где после преломления линзой сходятся лучи от каждой точки прозрачного изображения. Если экран поставить ближе или дальше этого места, лучи не соберутся на его поверхности в чёткие точки.
Как глаз фокусируется на предметах, расположенных на разном расстоянии?
Глаз меняет кривизну хрусталика — прозрачной линзы внутри глаза. Так изменяется преломление света, и изображение предмета снова фокусируется на сетчатке.
Какими линзами исправляют близорукость?
Близорукость исправляют рассеивающими линзами. Они изменяют ход лучей так, чтобы изображение далёкого предмета формировалось на сетчатке, а не перед ней.
Почему при дальнозоркости нужны собирающие линзы?
При дальнозоркости изображение близкого предмета без коррекции оказывается за сетчаткой. Собирающая линза усиливает схождение лучей до их попадания в глаз и помогает сфокусировать изображение на сетчатке.
§ 34. Оптические приборы
