§ 59. Фотоаппарат. Проекционный аппарат

Определения и обозначения

Фотоаппарат — оптический прибор, создающий действительное изображение предмета на светочувствительной плёнке или матрице. Действительное изображение можно получить на поверхности, потому что в соответствующих точках сходятся прошедшие через прибор лучи. Благодаря этому изображение сохраняется как фотография.

Объектив — собирающая линза или система линз, которая формирует изображение предмета. Он направляет лучи от разных точек предмета так, чтобы они сошлись в нужных точках изображения. От работы объектива зависят положение и резкость изображения.

Проекционный аппарат — оптический прибор, создающий увеличенное действительное изображение предмета на экране. Предмет, например слайд, освещают, а объектив направляет свет так, чтобы изображение получилось крупнее. Прибор нужен, чтобы показать небольшое изображение сразу многим людям.

Экран — поверхность, на которой получают и рассматривают действительное изображение. Он принимает световые лучи, собранные объективом, и рассеивает их, поэтому изображение можно видеть с разных мест. Если экран поставить не там, где сходятся лучи, изображение будет размытым.

Как это устроено

В фотоаппарате свет от предмета проходит через объектив и попадает на плёнку или матрицу. Лучи от каждой точки предмета собираются в соответствующей точке светочувствительной поверхности, поэтому там возникает действительное изображение. Лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются, из-за чего изображение получается перевёрнутым.

Для резкого снимка светочувствительная поверхность должна оказаться именно там, где формируется изображение. При изменении расстояния до предмета меняется положение этой плоскости: близкий предмет и далёкий изображаются на разных расстояниях от объектива. Поэтому при фокусировке объектив перемещают относительно плёнки или матрицы, пока изображение не станет чётким.

Резкость и количество света — разные настройки. Диафрагма меняет размер отверстия внутри объектива: через большее отверстие проходит больше света, через меньшее — меньше. Затвор открывает доступ света на определённое время; если он открыт дольше, свет дольше действует на матрицу или плёнку. Эти настройки помогают получить снимок с подходящей яркостью, но сами по себе не заменяют фокусировку.

В проекторе освещённый предмет помещают перед объективом. Объектив собирает свет, прошедший от предмета, и создаёт на экране действительное изображение; при подходящем расположении оно получается увеличенным. Увеличение полезно для показа слайда или другого небольшого изображения большой аудитории.

Экран должен находиться в плоскости, где сходятся лучи и возникает изображение. Если экран передвинуть ближе или дальше, лучи будут сходиться до него или после него, а изображение станет нечётким. При изменении расстояния от предмета до объектива положение изображения тоже меняется, поэтому для восстановления резкости настраивают положение объектива или экрана.

Сравнение фотоаппарата и проекционного аппарата

Сравнивая приборы, сначала посмотрите, где именно возникает изображение: это помогает понять, почему один прибор сохраняет снимок, а другой показывает картинку на большом экране. Затем сопоставьте объектив и способы фокусировки. Обе системы создают действительное перевёрнутое изображение, но предназначены для разных задач.

Разбор задач

Задача 1. Предмет находится на расстоянии 60 см от собирающей линзы с фокусным расстоянием 15 см. Найдите расстояние от линзы до изображения. Нужно найти, где лучи соберутся после линзы, и проверить, что изображение действительное.

1. Запишем формулу тонкой линзы: 1/F = 1/d + 1/b, где F — фокусное расстояние, d — расстояние до предмета, b — расстояние до изображения.
2. Подставим известные значения: 1/15 = 1/60 + 1/b. Тогда 1/b = 1/15 − 1/60 = 4/60 − 1/60 = 3/60 = 1/20.
3. Из равенства 1/b = 1/20 получаем b = 20 см. Расстояние получилось положительным, значит, изображение находится по другую сторону линзы и является действительным.

Ответ: изображение находится в 20 см от линзы. Такой результат можно проверить: расстояние изображения больше фокусного, что соответствует положению предмета дальше двойного фокусного расстояния.

Задача 2. Фотоаппарат сфокусирован на далёком здании. Что нужно изменить для резкого снимка близкого предмета: расстояние между объективом и светочувствительной поверхностью или выдержку? Сначала определим, какая настройка влияет на положение изображения, а какая — на длительность освещения.

1. При переходе от далёкого предмета к близкому меняется расстояние от объектива до плоскости изображения.
2. Чтобы плёнка или матрица снова оказалась в этой плоскости, нужно изменить расстояние между ней и объективом, то есть выполнить фокусировку.
3. Выдержка задаёт, сколько времени свет действует на светочувствительную поверхность. Она влияет на экспозицию снимка, но не перемещает плоскость изображения.

Ответ: нужно изменить расстояние между объективом и светочувствительной поверхностью. Выдержку ради одной только резкости менять не нужно.

Задача 3. Слайд высотой 2 см находится в 18 см от объектива проектора с фокусным расстоянием 15 см. Найдите расстояние до экрана и высоту изображения. Сначала найдём положение изображения, а затем сравним расстояния, чтобы определить увеличение.

1. Используем формулу линзы: 1/15 = 1/18 + 1/b. Тогда 1/b = 1/15 − 1/18 = 6/90 − 5/90 = 1/90, следовательно, b = 90 см.
2. Расстояние до изображения в пять раз больше расстояния от слайда до объектива: 90/18 = 5. Значит, изображение увеличено в 5 раз.
3. Умножим высоту слайда на увеличение: 2 × 5 = 10 см. Экран нужно поставить на расстоянии 90 см от объектива, чтобы изображение было резким.

Ответ: экран находится в 90 см от объектива, высота изображения равна 10 см. Изображение будет действительным и перевёрнутым относительно слайда.

Типичные ошибки

Считать, что объектив фотоаппарата создаёт мнимое изображение, — ошибка: мнимое изображение нельзя получить на плёнке или матрице. Её допускают, смешивая изображение в зеркале с изображением, которое создаёт объектив. Проверьте себя вопросом: на какой поверхности фиксируется фотография? Если ответ — плёнка или матрица, изображение должно быть действительным.

Не следует путать фокусировку с регулировкой количества света. Диафрагма и затвор управляют светом, а резкость настраивают перемещением объектива или экрана; путаница возникает, потому что все эти настройки есть у одного прибора. Чтобы проверить себя, спросите, меняется ли положение плоскости изображения: изменение освещения само по себе её не перемещает.

Ошибочно полагать, что изображение на экране будет прямым. Действительное изображение, создаваемое объективом, перевёрнуто, потому что лучи от противоположных частей предмета пересекаются. Иногда ошибку вызывает то, что слайд заранее устанавливают в проектор определённым образом. Проверка: проследите, куда после объектива направляются лучи от верхней части предмета.

Экран нельзя расположить где угодно, если требуется резкое изображение. Он должен совпасть с плоскостью изображения, где сходятся лучи; ошибку часто допускают, принимая экран за поверхность, которая сама наводит резкость. Проверьте положение экрана: если его сдвинуть вперёд или назад, изображение станет размытым.

Связь с другими темами

Для понимания фотоаппарата и проектора нужно знать, как собирающая линза строит действительное изображение, и уметь пользоваться формулой тонкой линзы. Эти знания позволяют находить расстояние до изображения и объяснять, почему меняется фокусировка. Позже те же идеи пригодятся при изучении других оптических приборов и глаза, который тоже создаёт изображение на светочувствительной поверхности — сетчатке. Сравнение устройств помогает понять разные способы получения и рассматривания изображений.

Что запомнить

• Фотоаппарат создаёт изображение на светочувствительной поверхности.
• Проекционный аппарат создаёт изображение на экране.
• В обоих приборах объектив формирует действительное перевёрнутое изображение.
• Для резкости нужно совместить светочувствительную поверхность или экран с плоскостью изображения.
• Диафрагма регулирует количество света, а затвор — время его воздействия.
• Проекционное изображение обычно больше предмета.