Онлайн

Наглядная физика. Оптика


Оптические приборы

13 model EquipmentsMain

 Модель наглядно демонстрирует принцип действия четырех оптических приборов: лупы, фотоаппарата, проектора, телескопа и микроскопа. Показан ход лучей в этих приборах, некоторые настройки можно изменять.

 

Подробнее

Рассмотрим основные принципы действия простейших оптических приборов на основе геометрической оптики. 

Лупа.  Лупой называют собирающую линзу, с помощью которой рассматривают мелкие предметы. Лупа даёт увеличенное изображение предмета, которое  можно рассмотреть простым глазом. При   рассматривании предмета в лупу предмет помещают на расстоянии, меньшем фокусного расстояния лупы, d<F, и  располагают относительно лупы так, чтобы изображение A'B' фокусировалось на расстоянии лучшего видения от глаза, располагаемого вблизи лупы. Если бы сам предмет располагался на таком расстоянии от лупы, то угол зрения α был бы меньше угла зрения β при рассматривании изображения предмета в лупу. Увеличение, даваемое лупой, легко определить. Расстояние D изображения A'B' от центра лупы примерно равно расстоянию лучшего видения, т.е. 25 см. Расстояние предмета от центра лупы примерно равно фокусному расстоянию лупы. Поэтому увеличение лупы равно K = 25/Fгде F - фокусное расстояние лупы в сантиметрах. Для получения большего увеличения (для увеличения угла зрения) фокусное расстояние лупы должно быть меньше. Практически ограничиваются увеличением примерно до 25 раз.

Фотоаппарат. Фотоаппаратом называется оптический прибор, позволяющий фиксировать оптическое изображение предметов, даваемое линзой. Основными частями фотоаппарата являются линза, называемая объективом фотоаппарата, и камера. В качестве объектива используется собирающая линза (на самом деле система линз), дающая уменьшенное изображение предмета на фотопластинке, помещаемой в фокальной плоскости. Фотопластинка помещается в светонепроницаемой камере. Лучи света могут проникнуть в камеру только через объектив. Количество световой энергии, попадающей на фотопластинку, помимо времени экспозиции, определяется еще двумя факторами: площадью объектива и расстоянием от объектива до фотопластинки. Площадь объектива пропорциональна квадрату диаметра объектива . Чем больше площадь (или d), тем больший световой поток, входящий в фотоаппарат, и тем большая энергия поглощается светочувствительным слоем пластинки. Расстояние от объектива до фотопластинки примерно равно фокусному расстоянию объектива F. Освещенность пластинки будет обратно пропорциональна квадрату этого расстояния F'. Следовательно, в целом освещенность пластинки прямо пропорциональна отношению d²/F², называемому светосилой объектива. Чем больше светосила объектива, тем большая световая энергия подводится к пластинке и тем меньше должно быть время экспозиции. Светосила является основной оптической характеристикой объектива. 

Микроскоп. Микроскоп применяется для рассматривания очень мелких предметов, не видимых простым глазом. Линейные увеличения, даваемые микроскопом, достигают нескольких тысяч раз. Простейший микроскоп представляет собой комбинацию двух линз: одна из них, перед которой располагается рассматриваемый предмет, называется объективом, а вторая, за которой располагается глаз, - окуляром микроскопа. Линзы устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга в светонепроницаемой трубе, называемой тубусом микроскопа. Предмет помещается перед объективом на расстоянии, немного превышающем фокусное расстояние объектива. Объективом служит собирающая линза, которая дает увеличенное изображение предмета А'В'Окуляром служит тоже собирающая линза, в которую изображение А'В', даваемое объективом, рассматривается, как в лупу. Поэтому окуляр располагается так, чтобы расстояние между изображением А'В' и линзой окуляра было немногим меньше фокусного расстояния этой линзы. Окуляр дает новое изображение А"В", предметом для которого служит изображение А'В'даваемое объективом. Увеличение предмета, даваемое микроскопом, есть произведение увеличения, даваемого объективом, и увеличения, даваемого окуляром. 

Телескоп. Телескоп - оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень удаленных предметов, видимых простым невооруженным глазом под очень малыми углами зрения. Телескоп, так же как и микроскоп содержит объектив и окуляр в светонепроницаемой трубе. В отличие от микроскопа объективом для телескопа обычно служит длиннофокусная линза. В качестве окуляра, так же как и в микроскопе, берется короткофокусная линза (это лупа). Поскольку рассматриваемый предмет находится на очень большом расстоянии от объектива, то пучки лучей, идущих от светящихся точек этого предмета, можно считать параллельными и поэтому они фокусируются объективом в фокальной плоскости F1F2 . Окуляр располагается так, чтобы его передняя фокальная плоскость совпадала с задней фокальной плоскостью объектива. Тогда пучок света, идущий к окуляру из точки A', преобразуется окуляром в параллельный пучок света 3'4'. Однако пучок света 3' 4' будет наклонен к главной оптической оси под углом γ значительно превосходящим угол α наклона к оптической оси лучей, входящих в объектив. Отношение углов α и γ определит увеличение, даваемое телескопом. Приближенно это отношение равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра: K = Fоб /Fок

 


Ход лучей в призме

14 model Prizma

Модель наглядно демонстрирует ход лучей в трехгранной призме. Направление падающего луча можно изменять.

 

 

Подробнее

Призмы изготавливают из оптического стекла и используют для отклонения лучей света. Рассмотрим ход лучей света в трехгранной призме. Если луч света падает на грань AB и выходит через грань BC, то грань BC называют основанием призмы, см. рис. Противоположный основанию угол γ называют преломляющим углом призмы. Угол Δ между направлением луча 1 и направлением отклонённого луча 2 называется углом отклонения луча в призмы. Угол, на который призма отклоняет (монохроматический) луч света, зависит от  преломляющего угла призмы γ, коэффициента преломления призмы n и угла падения α1 (см. рис.)

14.1

Рис. Луч 1 падает на грань AB трехгранной призмы, преломляется, падает на грань BC, преломляется и  выходит (луч 2) из призмы. При прохождении через призму луч света отклоняется на угол Δ, который зависит от оптической плотности материала призмы n и от преломляющего угла призмы o14  Показаны нормали n1 и n2 к преломляющим граням призмы. Видно, что луч света, прошедший через призму, отклоняется к основанию ACПри преломлении в точке M углы падения α1 и преломления β1 связаны равенством

14.2                                     (1)

Из треугольника MNB находим угол падения α2 луча на грань призмы BCУгол o141 дополняет угол β1 до прямого угла, поэтому

o142  

Аналогично, угол o143 дополняет угол α2 до прямого угла, поэтому

o145Поскольку сумма углов в треугольнике равна Π , получаем

14.3(2)

Углы α2 и β2 связаны соотношением

14.4             (3)

В точке M луч отклоняется на угол α1 и β1, а в точке N - на угол β2 -α2Поэтому полный угол отклонения луча Δ призмой равен сумме отклонений в точках M и N

14.5
Подставляя сюда значение α2 из (2), получаем

14.6 (4)

Используя равенства (1) - (4) и зная n и γ, можно вычислить угол Δ отклонения луча призмой для каждого угла падения α1 .



Получение спектра с помощью призмы

15 model specter

 Материал призмы обладает дисперсией – скорость света в нем зависит от частоты. Поэтому угол, на который призма отклоняет монохроматический луч света, зависит от цвета луча. Модель наглядно демонстрирует получение спектра с помощью призмы. Можно изменять цвет падающего на решетку света.

Подробнее

 Материал призмы обладает дисперсией - скорость света (или коэффициент преломления n) в нем зависит от частоты, o151Обычно, чем больше частота ν, тем больше n(ν). Поэтому угол, на который призма отклоняет монохроматический луч света, зависит от частоты света, т.е. от цвета луча.

15.1
Рис. Луч 1, состоящий из красного луча и синего, падает на грань AB трехгранной призмы, при преломлении в точке M расщепляется на два луча - красный и синий. Эти лучи падают на грань BC, преломляется и выходят (лучи 2 и 2') из призмы. При прохождении через призму луч света отклоняется на угол Δ, который зависит от оптической плотности материала призмы и от преломляющего угла призмы o152Для лучей 1 и 2 показаны нормали n1 и n2 к граням призмы. Видно, что синий луч света отклоняется к основанию AC сильнее, чем красный. 

Если на призму падает параллельный пучок лучей белого света, то после прохождения через нее этот пучок создает на экране освещенную полоску, окрашенную в различные цвета, которую и называют спектром. Спектр содержит семь основных цветов, непрерывно переходящих друг в друга: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Фиолетовый свет отклоняется на наибольший угол, а красный - на наименьший.

15.2Рис. Непрерывный спектр белого света. Длины волн указаны в нанометрах. 

Если же собрать пучки лучей различного цвета, прошедшие через призму, в один пучок с помощью линзы, то снова получится луч белого света. Если пучки лучей, соответствующих этим различным цветам, пропускать через вторую призму, то они будут отклоняться ею на различные углы, однако окраска их уже не изменится.


Спектр излучения нагретого тела

16 model specter2

Все тела излучают электромагнитное излучение, спектр которого зависит от температуры. Модель наглядно демонстрирует зависимости спектральной плотности теплового излучения от длины волны и температуры. Приведен график. Температуру можно изменять.

 

Подробнее

 Все тела излучают электромагнитное излучение. Холодные тела - меньше, а горячие - больше. Температура определяется средней кинетической энергией хаотически движущихся микрочастиц - атомов или молекул. Поскольку эти частицы содержат электрические заряды (электроны и протоны), то происходит излучение электромагнитных волн. Излучение зависит не только от температуры, но и от строения вещества, структуры его поверхности. Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с окружающими телами (при фиксированной температуре)  называется тепловым равновесным излучением, или излучением  абсолютно черного тела.

16.1

 Рис. 1. Зависимость цвета излучения нагретого тела от температуры.

Такое равновесное излучение образуется внутри полости в твердом теле, причем оно не зависит от материала стенок, а зависит только от их температуры. Излучение попадает в полость через маленькое отверстие, но может выйти лишь после многократных отражение от стенок, см. рис. 2 а. При этих отражениях устанавливается термодинамическое равновесие. Если бы энергия излучения зависела от материала стенок, то, подбирая материал стенок полости, можно было бы изготовить вечный двигатель (второго рода), в котором энергия переходит от холодных тел к горячим. Излучение, с которым мы обычно имеем дело не является равновесным.

16.2

Рис. 2. a) Модель абсолютно черного тела. б)  Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела при разных температурах. При увеличении температуры кривая поднимается вверх (т. е. увеличивается яркость) и как бы немного смещается влево(т. е. от красного к синему). По оси абсцисс отложена длина волны λ в нанометрах, а по оси ординат - спектральная плотность u в Дж/нм. 

Для физической  величины, зависящей от частоты, иногда удобно ввести понятие ее спектральной плотности. Спектральная плотность величины, характеризующей излучение (например, потока излучения, силы света), отношение рассматриваемой величины, взятой в очень  малом интервале, содержащем данную длину волны λ, к ширине этого интервала ΔλВместо λ можно использовать частоту v, или угловую (круговую) частоту ω=2Πv . волновые числа или их логарифмы. В таких случаях термин "спектральная плотность'' уточняется - говорят, например, о спектральной плотности по частоте. График зависимости спектральной плотности  величины от длины волны λ или частоты  v характеризует распределение соответствующей величины по спектру.



Устройство и действие вакуумного фотоэлемента

17 model projector

 Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом. Он используется для преобразования световых сигналов в электрические. Модель наглядно демонстрирует принцип действия фотоэлемента. Приведена схема включения фотоэлемента. Интенсивность света, его частоту и напряжение на фотоэлементе можно изменять.

Подробнее

 Фотоэлемент  -  двухэлектродный электровакуумный прибор, служащий для преобразования световых сигналов в электрические.

Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом.  Электроды выводятся в виде жестких штырей в общий цоколь или разносятся в два самостоятельных цилиндрических вывода. Катод - слой металла с малой работой выхода, покрывающий часть внутренней поверхности баллона. Анодом служит проволочное кольцо (сетка, петля из тонкой проволоки), расположенное так, чтобы не мешать освещению катода. В центре баллона находится небольшое металлическое кольцо - анод фотоэлемента. Чтобы электроды фотоэлемента не окислялись, воздух из баллона выкачан и добавлено небольшое количеством химически инертного газа (гелия), повышающего также чувствительность фотоэлемента.

17.1
Рис. Принципиальная схема включения фотоэлемента в электрическую цепь. Здесь V - фотоэлемент; R - нагрузка, GB - источник высокого постоянного напряжения (примерно 250 В).

Если к аноду и катоду подключить батарею и чувствительный электроизмерительный прибор - гальванометр, то при освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонится. Значит, внутри баллона фотоэлемента течет ток. Дело в том, что свет, падая на поверхность катода, выбивает с его поверхности электроны. Анод подключен к «плюсу» батареи и поэтому электроны притягиваются к нему.
Следовательно, электроны из катода попадают на анод, во внешней цепи появляется электрический ток, заставляющий стрелку гальванометра отклониться. Инертный газ в баллоне увеличивает ток, т. к. электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Образовавшиеся положительные ионы летят к катоду. В результате общий заряд, проходящий между анодом и катодом, получается больше, чем в вакууме. 

Изменяя освещенность фотоэлемента, можно регулировать силу тока. Чем сильнее освещен катод, тем больше электронов вырывается из него и тем больше будет сила тока во внешней цепи. Ток через фотоэлемент при сильной освещенности катода и высоком напряжении на аноде составляет сотни микроампер. В последнее время вместо вакуумных фотоэлементов используются полупроводниковые приборы, например, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и др.

Полупроводниковый фотодиод имеет небольшие размеры, по сравнению с хрупким стеклянным баллоном фотоэлемента. Конструкция фотодиода мало чем отличается от полупроводникового диода: p-n-переход между двумя полупроводниковыми кристаллами с разной электрической проводимостью. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой - отрицательно. Если к электродам, соединенным с кристаллами подключить нагрузку, например резистор, то через него потечет постоянный ток. Следовательно, в фотодиоде световая энергия непосредственно превращается в электрическую. 

При освещении светом рабочей (светочувствительной) поверхности фоторезистора, его сопротивление уменьшается во много раз.



Устройство и действие фотореле на фотоэлементе

18 model photoreleЭлектронное фотореле обеспечивает включение или выключение нагрузки в зависимости от уровня освещенности. Модель наглядно демонстрирует устройство и действие фотореле на фотоэлементе. Приведена схема фотореле.

 

Подробнее

 Электронное фотореле  обеспечивает включение или выключение нагрузки в зависимости от уровня  освещенности (См. Рис.). При попадании света на фотоэлемент, в цепи появляется ток.

Этот ток, проходя через обмотку электромагнитного реле K1, создает магнитное поле, которое замыкает контакт K1.1, лампочка H1 загорается.  Если фотоэлемент не освещается светом, то ток в цепи мал и магнитное поле катушки реле не может удержать контакт K1.1 в замкнутом состоянии. Лампочка не горит.

18.1Рис. Схема простейшего фотореле на фотоэлементе. Здесь V - фотоэлемент; K1 - катушка (обмотка) электромагнитного реле, K1.1 - контакт электромагнитного реле, H1 - электрическая лампочка.

На самом деле ток фотоэлемента, изменяющийся под действием падающего на него света, слишком мал и не может управлять электромагнитным реле. Поэтому ток фотоэлемента усиливают, а на выход усилителя включают электромагнитное реле. Главное в работе фотореле - увеличение освещенности фотоэлемента вызывает срабатывание электромагнитного реле, которое управляет работой других приборов или механизмов.

Фотореле будет чувствительнее, если световой поток будет попадать на фотоэлемент через  линзу, фокусирующую свет на фотоэлементе. Обычно можно изменять уровень освещенности, при которой срабатывает фотореле. В последнее время используются фотореле значительно более сложной конструкции, содержащей полупроводниковые элементы (фотодиоды, фоторезисторы, транзисторы, микросхемы).

Электромагнитное реле представляет собой электромагнитный переключатель, используемый для коммутации электрических цепей, с учетом заданных изменений входных величин. Обычно величина управляющего тока значительно меньше величины переключаемого тока. Основные части реле:  электромагнит, якорь и переключатель (переключающие контакты). Электромагнит представляет собой соленоид (электрический провод, намотанный на катушку) с сердечником из магнитного материала (чем меньше управляющий  ток, тем больше витков содержит катушка). Напряжение срабатывания для разных реле разное - от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Якорь - пластина из магнитного материала,  управляющая контактами. При пропускании электрического тока через обмотку электромагнита возникающее магнитное поле притягивает к сердечнику якорь, который смещает и тем самым переключает контакты. Реле может иметь много контактов, а переключатели могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими.