Онлайн

Наглядная физика. Световые явления


Оптическая сила линзы

11 model LensPower

Модель наглядно демонстрирует различие между двумя линзами различной оптической силы.

 

 

Подробнее

Тонкая линза характеризуется своим фокусным расстоянием F, которое иногда для удобства можно считать положительным или отрицательным для собирающей или рассеивающей линз соответственно. Реальные линзы характеризуются также своим диаметром и другими необходимыми параметрами.

Офтальмологи характеризуют линзу не фокусным расстоянием, а обратной к фокусному расстоянию величиной. Она называется оптической силой (D)

06-03

где фокусное расстояние (в метрах) берется со знаком "+"  для собирающих линз и со знаком "-" для рассеивающих. Оптическая сила измеряется в диоптриях (сокращенно дптр ) или в обратных метрах:  1 дптр = 1 м-¹. 

Итак, оптическая сила собирающей линзы положительна, а рассеивающей - отрицательна. Например, линза с фокусным расстоянием 0,5 м имеет оптическую силу D = 1/0,5 = 2 дптр.


Построение изображения в линзе

12 model ThinLenses2Модель наглядно демонстрирует построение изображения в собирающей и рассеивающей линзе.

 

 

Подробнее

Существуют простые правила построения луча, преломленного тонкой линзой, если известны главная оптическая ось и  главные фокусы линзы.

Собирающая линза

Направим на  линзу параллельно главной оптической оси пучок света.  Предположим, что, после преломления в линзе, лучи пучка пересекают главную оптическую ось в одной точке F .
Линза собирает преломленные лучи, поэтому такие линзы называются собирающими. Например, двояковыпуклые линзы являются собирающими. Точка F, в которой пересекаются преломленные линзой лучи, падающие параллельно оптической оси, называется главным фокусом линзы . У собирающей линзы фокус действительный. Т. к. параллельные лучи можно пустить и с одной, и с другой стороны линзы, то и главных фокусов у линзы два. Оба лежат на главной оптической оси. Лучи, идущие под углом к главной оптической оси, линза собирает в точке F1Эта точка находится в плоскости AA1 , проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. Эта плоскость AA1 называется фокальной плоскостью, а точка F1 в отличие от главного фокуса называется просто фокусом. Расстояние от оптического центра до главного фокуса называется фокусным расстоянием. Его также принято обозначать буквой F .

Проделайте следующие опыты.

1. Свеча расположена далеко от линзы d > 2F .  Где расположено изображение удаленной свечи? Какое оно?

2. Переместим свечу ближе к точка 2F .  Как изменилось изображение свечи?

3. Поставим свечу на расстоянии до линзы d = 2F .  Какое изображение свечи дала линза? Где оно расположено?

4. Расположим свечу на расстоянии d от линзы, чтобы было F < d < 2FКакое изображение свечи дала линза? Сравните этот случай и случай 2.

5. Поместим свечу в фокус линзы d = F .  Как идут преломленные линзой световые лучи? Где они пересекутся? Сравните результат с результатом в случае 1.

6. Поместим свечу между оптическим центром линзы и ее фокусом d < FКаким является  изображение свечи сейчас? Где оно находится? Пересекаются ли вышедшие из линзы лучи?

Итак, свойства изображения зависят от положения предмета:

Если предмет находится за двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение является действительным, уменьшенным, обратным (перевернутым).

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы, то его изображение является действительным, увеличенным, обратным (перевернутым).

Если предмет находится между собирающей линзой и ее фокусом, то его изображение является мнимым, увеличенным, прямым (неперевернутым).

Рассеивающая линза

Направим на линзу параллельно главной оптической оси пучок света. Видно, что после преломления в линзе лучи пучка расходятся, причем их продолжения пересекаются
в одной точке F лежащей на главной оптической оси. Линза рассеивает преломленные лучи, поэтому такие линзы называются рассеивающими . Точка F , в которой пересекаются продолжения преломленных линзой лучей, падающих параллельно оптической оси, называется главным фокусом линзы . Преломленные в рассеивающей линзе лучи не пересекают фокус, поэтому его называют мнимым. Фокусное расстояние рассеивающей линзы считается отрицательным.

Проделайте следующие опыты.

1. Расположим свечу на расстоянии d от линзы.  Пересекаются ли вышедшие из линзы световые лучи? Каким является изображение предмета? Где оно находится?

2. Изменим расстояние d от свечи до линзы.  Как меняется изображение свечи?

Итак, рассеивающая линза при всех положениях предмета дает мнимое, уменьшенное и прямое изображение.


 


Оптические приборы

13 model Equipments

Модель наглядно демонстрирует принцип действия простейших оптических приборов: фотоаппарата, проекционного аппарата и лупы.

 

   

Подробнее

Фотоаппарат

Фотоаппарат служит для получения изображения  на фотопленке или матрице, преобразующей изображение в цифровой сигнал (цифровое отображение).

Простейший объектив - это собирающая линза, но обычно он представляет собой сложную систему линз, подобранных так, чтобы уменьшить искажения изображения. Объектив создает на пленке четкое действительное, уменьшенное, перевернутое изображение. Расстояние между объективом и пленкой можно изменять. Количество света, проходящего через объектив, регулируется диафрагмой (это непрозрачная перегородка с круглым отверстием, диаметр которого можно изменять). Чтобы зафиксировать изображение на фотопленке необходимо воздействие лучей на пленку в течении определенного времени, зависящего от яркости изображения и чувствительности фотопленки. При нажатии на кнопку спуска затвора он открывается, и свет попадает на фотопленку. Чем ярче фотографируемый предмет, тем меньше выдержка. Продолжительность выдержки варьируется от нескольких секунд, до тысячных долей секунды. Для освещения близких предметов используется лампа-вспышка. В современных аппаратах электронное устройство автоматически регулирует расстояние между объективом и пленкой, положение диафрагмы и выдержку с учетом чувствительности пленки и освещенности объекта.

Проекционный аппарат

Проекционный аппарат служит для получения увеличенных изображений на экране (с пленки, бумаги, электронно-лучевой трубки).

06-04

Простейший объектив проекционного аппарата - это собирающая линза, вогнутое зеркало-рефлектор отражает свет в нужном направлении, конденсатор концентрирует световую энергию на оригинале. Изображение-оригинал располагается за фокусным расстоянием объектива, поэтому объектив дает действительное перевернутое изображение. Увеличение тем больше, чем дальше находится экран.

Лупа

Лупа - собирающая линза с небольшим фокусным расстоянием. Применяется для рассматривания мелких объектов. Размер изображения на сетчатке глаза определяет, насколько детально виден предмет, и зависит от угла, под которым он виден. Чем больше угол, тем лучше видны детали предмета.

Поэтому, чем ближе предмет к глазу, тем больше угол, тем лучше видны мелкие части. Но глаз не дает резкого изображения слишком близких предметов (ближе в среднем 25 см).

Лупа позволяет глазу четко видеть очень близкие предметы. Действительно, для предмета, помещенного вблизи фокуса, но перед ним, линза дает мнимое увеличенное изображение,
находящееся на расстоянии наилучшего зрения (это 25 см) для глаза. Поэтому лупа дает увеличение изображения предмета в 25/F раза, где F - фокусное расстояние лупы в сантиметрах. Например, лупа с фокусным расстоянием 2,5 см увеличивает изображение в 10 раз. Для увеличения в десятки и сотни раз используются микроскопы, которые, как и лупа,
создают мнимое увеличенное изображение, находящееся на расстоянии наилучшего зрения от глаза.



Формирование изображения в глазу

14 model EyePicture

Модель наглядно демонстрирует строение глаза и принцип его действия.

 

 

Подробнее

Мозг и глаза позволяют нам видеть, ориентироваться в пространстве, создавая пространственные образы окружающих нас предметов. Если луч света попадает в глаз, мы видим точку, из которой он вышел. Если мы видим предмет, то это означает, что в глаз попадает свет от каждой точки предмета. Наш мозг воспринимает все лучи, попадающие в наши глаза, как распространяющиеся прямолинейно. В тех случаях, когда свет не распространяется прямолинейно, возникают иллюзии, мнимые изображения.

06-05

Рассмотрим глазное яблоко, разрез которого показан на рисунке. Наружная оболочка глаза, склера, сформирована из плотных соединительных волокон. Склера защищает глаз и обеспечивает его жесткость. В передней части склера переходит в прозрачную роговицу. Роговица - оптически наиболее плотная среда глаза, она пропускает свет. За роговицей находится радужная оболочка, содержащая пигмент, определяющий цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок, который  кажется черным, потому, что из глаза выходит очень мало света. Зрачок, сужаясь или расширяясь, изменяет количество световой энергии, попадающей в глаз (аналогично диафрагме в фотоаппарате). За радужной оболочкой находится прозрачное эластичное тело - хрусталик, напоминающий по форме двояковыпуклую линзу. С помощью мышцы, способной натягиваться и расслабляться, хрусталик крепится к краям глаза. Натягиваясь, мышца увеличивает кривизну хрусталика и, следовательно, его фокусное расстояние, а расслабляясь - уменьшает его. Полость между роговицей и хрусталиком заполнена прозрачной жидкостью. Почти вся область глаза за хрусталиком заполнена стекловидным телом, студенистой, бесцветной массой. Роговица, прозрачная жидкость, хрусталик и стекловидное тело - все вместе составляют оптическую систему глаза.

Итак, глаз человека состоит из глазного яблока, соединенного зрительным нервом с головным мозгом, и некоторых вспомогательных частей.

Внутренняя оболочка глаза, сетчатка, содержит слои зрительных клеток (аналог пленки в фотоаппарате), преобразующих попавшую в глаз световую энергию в нервные импульсы - электрические сигналы, которые по нервным волокнам передаются в мозг, где и формируется зрительный образ.

Итак, грубо оптическая система глаза аналогична системе фотоаппарата. Она состоит из объектива и поверхности, на которой должно быть сфокусировано  изображение рассматриваемого предмета. Для четкого восприятия объекта его  изображение должно попасть на сетчатку, иначе глаз видит предмет расплывчатым, нерезким. Фокусировка достигается изменением фокусного расстояния оптической системы глаза.

Когда мы рассматриваем далекие предметы мышцы глаза расслабляются, делая хрусталик тоньше. Если мы смотрим на близкие предметы мышцы глаза напрягаются, кривизна хрусталика увеличивается, его фокусное расстояние уменьшается. Считается, что нормальный (здоровый) глаз дает резкое изображение объектов, находящихся на расстоянии от 25 см до бесконечности.

Наименьшее расстояние между глазом и предметом, на котором глаз еще дает резкое изображение, называется расстоянием наилучшего зрения. Считается, что оно равно 25 см, но у разных людей оно различно и обычно меняется с возрастом.



Близорукость и дальнозоркость

15 model Eye

 Модель наглядно демонстрирует причины двух распространенных дефектов зрения – близорукости и дальнозоркости.

 

 

Подробнее

Есть два наиболее распространенных дефекта зрения - близорукость и дальнозоркость.
Близорукость
Для получения резкого изображения предметов, находящихся на разных расстояниях, кривизна поверхности хрусталика изменяется так, чтобы изображение предмета попало на сетчатку. Иногда хрусталик не может перестроиться, чтобы дать резкое изображение удаленных предметов Значит расстояние между хрусталиком и сетчаткой больше, чем наименьшее возможное фокусное расстояние хрусталика. В этом случае изображение удаленного предмета (начиная с какого-то расстояния) образуется в фокальной плоскости перед сетчаткой. Глаз будет видеть удаленные предметы не резко (расплывчато), но изображение близких предметов глаз может поместить на сетчатку. Такой дефект зрения называется близорукостью .

Как исправить близорукость? Чтобы исправить близорукость используют очки с рассеивающими стеклами-линзами. Рассеивающая линза делает параллельный пучок света немного расходящимся.
Теперь, после преломления в хрусталике, пучок света может быть сфокусирован на сетчатке.

Дальнозоркость

Оптическая система нормального глаза дает изображение предмета на сетчатке. Если расстояние между хрусталиком и сетчаткой меньше, чем у нормального глаза, или сам хрусталик глаза слишком вытянут, тогда изображение близкого предмета будет располагаться за сетчаткой. Глаз при этом плохо видит близкие предметы, а удаленные - хорошо. Такой дефект зрения называется дальнозоркостью .

Как исправить дальнозоркость? Чтобы исправить дальнозоркость используют очки с собирающими (выпуклыми) стеклами-линзами. После преломления в собирающей линзе пучок параллельных лучей становится сходящимся и может быть сфокусирован на сетчатке.