Оптические элементы и системы.

Используя законы отражения и преломления света, рассмотрим прохождение световых лучей через различные оптические элементы  и разберем схемы построения  изображений в плоском зеркале и линзах:

1. Ход лучей в призмах:

            Поворотные и обратные призмы применяют в перископах, биноклях, киноаппаратах, а также часто вместо зеркал.

2. Изображение в плоском зеркале:

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, прямое и равно по размерам самому предмету и расположено относительно зеркала симметрично предмету: О1В = О1В1                    О2А= О2А1

1.       Линзы

Прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями называется линзой.

По своему назначению линзы бывают:

а) собирающие (центральная часть шире краев)

б) рассеивающие (центральная часть уже краев)

Основные точки и линии в линзах:

Главная оптическая ось – прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линз (через главные фокусы). Побочная оптическая ось – любая прямая, проходящая через оптический центр О.

Оптический центр О – точка пересечения главной оптической оси с линзой.

Главный фокус F – точка, в которой собираются после преломления в линзе все лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси (для собирающей линзы).

Мнимый фокус F΄ – точка, в которой пересекаются продолжения всех преломленных лучей, падающих на линзу параллельно главной оптической оси

(для рассеивающей линзы, на предыдущем рисунке).

Побочный фокус F₁ – точка, пересечения фокальной плоскости с побочной оптической осью.

Фокальная плоскость – плоскость перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через фокус.

Свойства световых лучей, используемых для построения изображений в линзах:

Ø                   луч, проходящий через оптический центр, не преломляется;

Ø                   луч, падающий параллельно главной оптической оси, после преломления проходит через фокус (продолжение луча через мнимый фокус);

Ø                   луч, проходящий через фокус после преломления, идет параллельно главной оптической оси;

Ø                   все три луча собираются в одной точке S΄, являющейся изображением светящей точки S (поэтому для построения точки в линзе достаточно взять два любых луча).

Построение изображений светящихся предметов в линзах и характеристики изображений.

Собирающие линзы:

Рассеивающие линзы:

Формула тонкой линзы:

,

где       F – фокусное расстояние (OF);

d – расстояние от предмета до линзы (ОВ);

f – расстояние от линзы до изображения (ОВ₁);

F > 0 – для собирающей линзы;

F < 0 – для рассеивающей линзы;

H – линейные размеры изображения;

h – линейные размеры предмета;

 – оптическая сила линзы;

 – увеличение линзы.

Оптические системы: лупа, микроскоп, телескоп

Увеличение лупы

N — увеличение лупы,
D — расстояние наилучшего видения человеческого глаза, обычно D=250 мм, при этом f также должно быть выражено в мм,
f — фокусное расстояние лупы.

Микроскоп



Оптическая системы  из двух короткофокусных линз – объектива O1 и окуляра O2 .

Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы.

Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.


Ход лучей в микроскопе.
Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом.

Увеличение микроскопа

N — увеличение микроскопа,
N1 — увеличение окуляра микроскопа,
N2 — увеличение объектива микроскопа,
D — расстояние наилучшего видения человеческого глаза, обычно D=250 мм, при этом f также должно быть выражено в мм,
f — фокусное расстояние системы линз микроскопа: окуляра и объектива.

Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз. При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.

У реальных микроскопов объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.
Телескоп (подзорная труба)

Телескопы предназначены для наблюдения удаленных объектов. Они состоят из двух линз – обращенной к предмету собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю.
На рис. изображен ход лучей в  телескопе.  В нем  расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний F= F1 + F2.
Если удаленный предмет виден невооруженным глазом под углом j, а при наблюдении через телескоп под углом y, то угловым увеличением называют отношение

Увеличение телескопа (подзорной) трубы

N — увеличение зрительной (подзорной) трубы,
f1 — фокусное расстояние объектива,
f2 — фокусное расстояние окуляра.

Телескопический ход лучей.
В качестве объектива в больших астрономических телескопах применяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Хорошее зеркало проще изготовить, кроме того, зеркала в отличие от линз не обладают хроматической аберрацией.

У нас в стране  самый большой в м\телескоп имеет  диаметр зеркала 6 м. Однако большие астрономические телескопы предназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.