Оптические приборы для визуальных наблюдений

Содержание:

25 октября 2023
6 минут
450

Преподаватель физики

Если смотреть невооруженным глазом, то угол зрения равняется $1'$ . Его определение характеризуется наличием мозаичного строения сетчатки и применением волновых свойств света. Когда необходимо увеличить просматриваемое изображение, применяются такие оптические приборы наблюдения: лупа, микроскоп, зрительная труба. Глаз также участвует в работе оптической системы, поэтому многое зависит от его аккомодации.

По исследованиям удобно полагать, что глаз аккомодирован на бесконечность. При прохождении лучей от каждой точки предмета до глаза попадание происходит под видом параллельного пучка. Тогда понятие линейного увеличения теряет смысл.

Определение 1

Отношение угла зрения $φ$ во время наблюдения предмета при помощи оптического прибора к углу зрения $ψ$ невооруженным глазом называют угловым увеличением $γ = \frac{φ}{ψ}$ .

Его относят к важным характеристикам оборудования для визуальных наблюдений.

Некоторые учебники объясняют, что аккомодация глаза наблюдателя для получения лучшего изображения картинки имеет расстояние $d_{0}$ _.Тогда происходит усложнение хода лучей в оптических приборах физики, но его угловое увеличение практически неизменно.

Лупа

Лупа считается простейшим средством для наблюдений.

Определение 2

Собирающая линза с малым фокусным расстоянием $(F \approx 10 с м)$ называется лупой.

Ее расположение сосредоточено близко к глазу, а рассматриваемый предмет – в ее фокальной плоскости. Просмотр предмета через лупу позволяет видеть под углом $φ = \frac{h}{F}$ , где $h$ обозначается размер предмета. Если смотреть на него невооруженным глазом, тогда расположение должно быть на расстоянии $d_{0} = 25 с м$ . Таким образом мы будем наблюдать четкую картинку. Угол зрения такого предмета обозначится как $ψ = \frac{h}{d_{0}}$ .

Значит, формула углового увеличения лупы примет вид $γ = \frac{φ}{ψ} = \frac{d_{0}}{F}$ .

Если фокусное расстояние линзы равняется $10 с м$ , тогда гарантируется увеличение в $2, 5$ раза. На рисунке $3.5.1 .$ показана работа лупы.

Лупа

Рисунок $3.5.1 .$ Действие лупы: $a$ – предмет рассматривается невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения $d_{0} = 25 с м$ ; $b$ – предмет рассматривается через лупу с фокусным расстоянием $F$ .

Оптический прибор микроскоп

Когда требуется увеличение очень мелких предметов, применяют микроскоп. Увеличение изображение происходит за счет оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз – объектива $O_{1}$ и окуляра $O_{2}$ _.Подробно это показано на рисунке $3.5.2 .$ Объектив дает перевернутое увеличенное изображение. Система действует аналогично лупе. Расположение окуляра должно быть в фокальной плоскости, тогда распространение лучей будет в виде параллельных пучков.

Оптический прибор микроскоп

Рисунок $3.5.2 .$ Ход лучей в микроскопе.

Мнимое изображение, просматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Отсюда следует, что угловое увеличение всегда положительная величина.

Рисунок $3.5.2$ говорит о том, что формула угла зрения $φ$ предмета, просматриваемого через окуляр в приближении малых углов, равняется $φ = \frac{h'}{F_{2}} = \frac{f ċ h}{d ċ F_{2}}$ .

Предположительно, что $d \approx F_{1}$ и $f \approx l$ , где $l$ является расстоянием между объективом и окуляром микроскопа. Если рассматривать невооруженным глазом, тогда формула принимает вид $ψ = \frac{h}{d_{0}}$ . Тогда формула для углового увеличение $γ$ микроскопа записывается как $γ = \frac{φ}{ψ} = \frac{l ċ d_{0}}{F_{1} ċ F_{2}}$ .

Чем лучше микроскоп, тем большее увеличение он может выдавать, которые впоследствии являются причинами появлений дифракционный явлений.

Телескоп

Предназначение телескопов – наблюдение удаленных объектов. Входящие в его состав две линзы, обращены к предмету с большим (объектив) и с малым (окуляр) фокусным расстояниями. Зрительные трубы делят на два типа:

труба Кеплера для астрономических наблюдений;
труба Галилея для наземных наблюдений.

Рисунок $3.5.3 .$ показывает, каким образом идут лучи в астрономическом телескопе.

Определение 3

Когда глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность, тогда лучи от любой точки наблюдаемого предмета выходят из окуляра в виде параллельного пучка. Его называют телескопическим.

Астрономическая труба может получить телескопический ход лучей только при условии, если расстояние между объективом и окуляром равняется сумме их фокусных расстояний, то есть $l = F_{1} + F_{2}$ .

Телескоп характеризуется угловым увеличением $γ$ . Наблюдаемые предметы всегда удалены от наблюдателя. Когда такой предмет виден невооруженным глазом под углом $ψ$ , при наблюдении через телескоп под углом $φ$ , тогда угловое увеличение запишется как $γ = \frac{φ}{ψ}$ .

Угловое увеличение γ будет положительно для земной трубы Галилея, но отрицательно для астрономической трубы Кеплера. Запись углового увеличения зрительных труб может быть выражена через фокусные расстояния: $γ = - \frac{F_{1}}{F_{2}}$ .

Телескоп

Рисунок $3.5.3 .$ Телескопический ход лучей.

Определение 4

Когда речь идет о больших астрономических телескопах, тогда есть смысл применять сферические зеркала, но не линзы. Такие телескопы получили название рефлекторами.

Для изготовления хорошего зеркала требуется меньше временных затрат, чем для зеркала без хроматической аберрации. Существует самый большой телескоп, имеющий диаметр зеркала $6 м$ . С помощью больших астрономических телескопов можно не только увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.