44. Закони прямолінійного поширення світла. Оптичні прилади. Оптичні властивості ока.

Оптику поділяють на дві основні частини: фізичну і геометричну. Фізична оптика вивчає явища, в яких виявляються хвильові і корпускулярні властивості світла. Наприклад, з’ясовані вже нами явища інтерференції і дифракції є проявами хвильових властивостей світла. Геометрична оптика вивчає явища, в яких проявляється властивість прямолінійного поширення світла в ізотропному середовищі.

Основним у геометричній оптиці є поняття світлового променя. Під променем розуміють нормаль до хвильової поверхні, яка показує напрям світлової енергії. Експериментально цей напрям відображують вузьким пучком світла, що виділяється через невеличкий отвір у непрозорому екрані. Такий пучок можна візуально спостерігати у задимленому просторі.

Прямолінійністю поширення світла пояснюється утворення тіней від непрозорих предметів. Поведінка променя на межі двох середовищ визначається законами відбивання і заломлення.

Відбивання світла від дзеркальної поверхні відбувається за такими законами: відбитий промінь лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до відбиваючої поверхні, поставленою в точці падіння;

2)При відбиванні світла кут падіння світлового променя дорівнює кутові його відбивання

При використанні плоского дзеркала промені, що виходять з світної точки S (рис. 2), після відбивання від дзеркала розходяться; тому точку перетину їх S ’ дістаємо при уявному продовженні променів у протилежному напрямі. Точку S’ називають уявним зображенням світної точки S, бо її знаходять у перетині не самих світлових променів, а на уявному продовженні їх у протилежному напрямі; спостерігачеві тільки здається, що відбиті промені виходять з цієї точки. Якщо зображення дістають в результаті дійсного перетину самих світлових променів, то його називають дійсним.

Для графічної побудови зображення предмета в сферичному дзеркалі звичайно використовують такі промені, напрями яких після відбивання відомі, їх називають променями побудови. До них належать такі:

1.промінь, що проходить до дзеркала через його центр, після відбивання проходить по тій самій прямій у протилежному напрямі;

2.промінь, паралельний головній оптичній осі, після відбивання проходить через головний фокус;

3.промінь, що проходить до дзеркала через головний фокус, після відбивання проходить паралельно головній оптичній осі.

Сферичні дзеркала широко використовуються на практиці: в проекційних ліхтарях, у прожекторах, астрономічних трубах. Крім сферичних використовуються також параболічні, еліптичні і гіперболічні дзеркала, які в окремих умовах дають змогу усунути або істотно зменшити сферичну аберацію.

Заломлення світла на плоских поверхнях. Призма. При переході світла з одного прозорого середовища в друге з іншою діелектричною сталою є, наприклад, з повітря у воду, з води у скло світловий промінь зазнає заломлення. Заломлення світлових променів відбувається за такими законами:

4.заломлений промінь лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до поверхні розділення середовищ, проведеною в точці падіння;

5.відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величина стала.

Лінзи. Для графічної побудови зображення предмета за допомогою лінзи використовують такі промені

1.промінь, що проходить через оптичний центр лінзи, оскільки він не зазнає заломлення в лінзі;

2.промінь, паралельний головній оптичній осі, оскільки після заломлення в лінзі він проходить через головний фокус; промінь, що проходить через головний фокус, оскільки після заломлення в лінзі він проходить паралельно головній оптичній осі.

Закономірності утворення зображень світних точок у сферичних дзеркалах і лінзах знаходять практичне застосування в різних оптичних приладах. Основною частиною будь-якого оптичного приладу є деяка центрована система з лінз і дзеркал, до яких нерідко включається також око людини. В останніх випадках зображення з’являється на сітчастій оболонці ока, в інших випадках - на спеціальному екрані або фотопластинці. Розглянемо деякі найважливіші оптичні прилади.

Фотоапарат. Фотоапарат складається із збиральної лінзи або комбінації лінз - об’єктива Об (рис. 1), апертурної діафрагми Д, камери К з касетною частиною Ф. При фотографуванні у касетну частину вставляється касета з фотоплівкою. У деяких фотоапаратах для наведення зображення на різкість у касетну частину вставляють матове скло; в інших фотоапаратах для наведення на різкість є спеціальні видошукачі. Об’єктив фотоапарата звичайно являє собою короткофокусну збиральну оптичну систему з усуненими абераціями, за допомогою якої на фотоплівці дістаємо дійсне і перевернуте зображення. Якщо предмет віддалений, то зображення знаходиться поблизу фокальної площини; якщо предмет ближче, то зображення буде далі від фокальної площини

Проекційний апарат. За допомогою проекційних апаратів одержують на екрані дійсні і збільшені зображення картин або предметів. По суті проекційний апарат являє собою конструкцію, подібну до фотоапарата, де предмет і зображення помінялися місцями. Картина на скляній пластинці або плівці розміщується відносно об’єктива Об на відстані, яка дещо більша від його фокусної відстані, завдяки чому на екрані E, розміщеному в кількох метрах від об’єктива, виникає збільшене і перевернуте зображення. Пластинка або плівка освітлюється потужним джерелом світла S, розміщеним у головному фокусі лінз конденсора К. Конденсор забезпечує рівномірне освітлення кадра.

До таких апаратів належить також кінопроектор. Предметом у ньому є довга плівка з окремих знімків. Тут на екран проектується 20—25 кадрів за секунду, тому створюється враження безперервного руху. Плівкопротяжний механізм переміщує кіноплівку стрибками на один кадр; в момент переміщення плівки світловий пучок перекривається обтюратором.

Часто в одному приладі компонують пристрої для проектування як прозорих, так і непрозорих предметів. Такі прилади називаються епідіаскопами.

Лупа. Лупа є найпростішим оптичним приладом, яким користуються для розглядання дрібних предметів, у точних роботах. Вона є тонкою збиральною лінзою, яка, діючи спільно з оком, забезпечує збільшення кута зору. Звичайну лупу утримують біля ока, а розглядуваний предмет розміщують між фокусом і лінзою, поблизу фокуса. При цьому зображення предмета буде уявне, пряме і збільшене. Здійснюючи деяке переміщення ока з лупою, зображення одержують на відстані 250 мм; тобто на відстані найкращого бачення.

Телескоп. Телескопом називають оптичний прилад, призначений для розглядання великих, але віддалених предметів. Він складається з довгофокусного об’єктива і короткофокусного окуляра.

Для розглядання наземних предметів зручна труба Галілея. В ній об’ єктив є збиральною лінзою, а окуляр розсіювальною лінзою або системою лінз.

Недоліком труби Галілея є те, що в ній немає дійсного зображення предмета, тому в полі зору телескопа не можна розмістити перехрестя ниток і з його допомогою проводити вимірювання. З цих причин польові біноклі будують з двох труб Кеплера та системи призм повного внутрішнього відбивання, які перевертають зображення. Зигзагоподібні ходи променів у призматичному біноклі істотно скорочують його довжину. Крім того, завдяки використанню поворотних призм, відстань між центрами об’єктивів бінокля стає значно більшою, ніж відстань між зіницями очей, а від цього дуже зростає стереоскопічний ефект і краще розрізняються деталі предмета.

Око в багатьох відношеннях подібне до фотоапарата. В фотоапараті об’єктивом є збиральна лінза або система лінз, а в оці роль об’єктива виконує кришталик 1 (рис. 1); чутливій плівці фотоапарата відповідає чутлива до світла сітчаста оболонка 3 на задній стінці ока; так само як і на фотоплівці, на сітківці ока виникає дійсне, перевернуте і зменшене зображення; роль діафрагми відіграє отвір у райдужній оболонці 5 ока перед кришталиком, що називається зіницею ока. Зрозуміло, що око в значно складнішим оптичним приладом, ніж фотоапарат.

Кришталик ока - це прозоре хрящовидне тіло з показником заломлення 1,5. За допомогою особливих м’язів 2 кришталик може змінювати свою кривизну. Оберігає око спереду рогова оболонка Простір між роговою оболонкою і кришталиком заповнений водянистою рідиною, а між кришталиком і сітківкою - драглистим скловидним тілом, показник заломлення яких приблизно 1,33.

Заломлююча система ока в цілому подібна до збиральної лінзи з фокусною відстанню порядку 1,5 см або оптичною силою 60 ± 4 діоптрій. Сітківка ока, на якій утворюється зображення предметів, складається з кінцівок розгалуженого зорового нерва 4. Зіниця ока змінюється залежно від освітленості: при яскравому сонячному світлі діаметр її близько 1 мм, а у вечірній час 8 - 10 мм. Ці зміни в оці настають в результаті вироблення рефлексів, поза свідомістю людини.

При байдужому спостереженні далеких предметів м’язи, що керують кришталиком, розслаблені, тому кривизна поверхонь кришталика зменшується і фокус ока переміщується на сітківку. Якщо людина розглядає близькі і дрібні предмети, то м’язи ока напружуються і збільшують кривизну кришталика; при цьому фокус ока переміщується ближче до кришталика, а зображення предмета лягає на сітківку. Цей процес пристосування ока до сприймання предметів на різних відстанях називається акомодацією ока. Завдяки виробничій діяльності людини, що здійснюється напівзігнутими руками, виробилася відстань найкращого бачення ока. Вона дорівнює приблизно 25 см.