Геометрическая и физическая оптика (стр. 3 из 5)
Пространство между роговой оболочкой и хрусталиком называется передней камерой. Оно заполнено камерной влагой. Пространство между хрусталиком и сетчаткой заполнено стекловидным телом - прозрачным студенистым веществом. Центр вращения глазного яблока находится внутри глаза примерно на расстоянии 13 миллиметров от вершины роговой оболочки. Линия, соединяющая главную точку хрусталика с центральным углублением желтого пятна, называется зрительной осью глаза или линией наилучшего видения.
Лучи света, преломляясь на границе раздела системы «роговица - воздух», а затем в хрусталике, создают на сетчатке перевернутые изображения предметов. В нормальном здоровом глазе они всегда четкие благодаря способности хрусталика к аккомодации. Дальнейшая обработка изображения происходит уже в головном мозге. Кроме того, глаз обладает способностью приспосабливаться к различным уровням яркости, называющейся адаптацией.
Существует несколько видов нарушений нормального функционирования оптической системы глаза. Если оптическая система глаза дает изображение далеких предметов за сетчаткой, то человек страдает дальнозоркостью (гиперметропией). При близорукости глаза (миопии) изображение получается перед сетчаткой.
Одним из первых оптических приборов, наряду с лупой и очками, является подзорная труба, впоследствии ставшая основой для создания более совершенного оптического прибора - телескопа. История называет три имени возможных авторов изобретения подзорной трубы одновременно - Лиспергея, Мециуса, Янсена. Однако решающий шаг в ее изобретении был сделан Галилеем в 1609 году, когда он построил действующую зрительную трубу. Свое изобретение Галилей использовал как телескоп для наблюдения небесных тел и сделал при этом целый ряд важнейших астрономических открытий.
Подзорная труба состоит из двух линзовых систем - объектива и окуляра. Подзорная труба с собирающим окуляром называется трубой Кеплера, труба с рассеивающим окуляром - трубой Галилея. Предмет находится на очень большом расстоянии от объектива. В трубе Кеплера за фокусом объектива возникает промежуточное изображение В'. Оно расположено на расстоянии от окуляра, меньшем его фокусного расстояния. Перед окуляром возникает увеличенное мнимое и перевернутое окончательное изображение В. Увеличение, даваемое трубой Кеплера, равно:
N =
где f1 - фокусное расстояние объектива, f2 - фокусное расстояние окуляра. Длина данной подзорной трубы будет равна:
l = f1 + f2.
Наличие промежуточного изображения В' в трубе Кеплера позволяет снабжать ее измерительной шкалой или фотопластинкой, помещенной в плоскость расположения промежуточного изображения В'. Поэтому труба Кеплера находит широкое применение в астрономии. В трубе Галилея между объективом и окуляром не создается промежуточное изображение. Эта труба создает мнимое увеличенное прямое изображение В. Труба Галилея дает несильное увеличение удаленного предмета. Поэтому ее используют в театральных биноклях.
Кроме телескопов, построенных по типу подзорных труб - рефракторов, широкое применение получили зеркальные, или отражательные, телескопы – рефлекторы.
Другим примером оптического прибора является фотоаппарат. В нем используется одно из свойств линзы, заключающееся в том, что при расположении предмета на расстоянии, большем двойного фокусного расстояния, линза дает его действительное уменьшенное изображение. Фотоаппарат состоит из объектива, обычно состоящего из нескольких линз, светонепроницаемого корпуса, видоискателя, диафрагмы и затвора. В светонепроницаемый корпус фотоаппарата помещают фотопленку, чувствительную к действию света. На ней объектив фотоаппарата создает действительное уменьшенное изображение фотографируемого предмета. Для получения четкого изображения предмета, который может быть расположен на разных расстояниях от фотоаппарата, объектив перемещают относительно фотопленки, результат наводки на резкость обычно контролируется через видоискатель. В зависимости от условий освещенности и чувствительности фотопленки путь свету от объектива к фотопленке открывается с помощью затвора на определенный интервал времени, обычно на сотые доли секунды. Световой поток регулируется и кольцевым отверстием в диафрагме за объективом, диаметр которого можно плавно изменять.
Предшественницей фотоаппарата можно считать приспособление, известное с давних времен, - так называемую камеру-обскуру. Явление, которое используется в камере-обскуре, было известно еще в древнем Китае. Если в темное помещение через небольшое отверстие или щель проникает луч света, то на стенке возникает довольно четкая картина. Кто-то догадался просверлить в ящике маленькое отверстие и на противоположной стенке, на вставленном в нее матовом стекле, наблюдать изображения пейзажей и людей. Так появилась камера-обскура (по-латыни obscurus - темный).
А когда вместо отверстия, выполняющего роль объектива, применили увеличительное стекло, изображение стало настолько четким, что человеку захотелось обвести его карандашом и раскрасить. Правда, картинка получалась «вверх ногами», поэтому для устранения этой погрешности к задней стенке ящика приставили наклонно зеркало. Оно проецировало изображение на матовое стекло, вделанное в крышку, в результате чего верх и низ располагались как положено (правда, при этом менялись местами правая и левая сторона). А поскольку с помощью камеры-обскуры рисунки делались главным образом для гравирования, то больше ничего исправлять не надо было - оттиски с гравюры полностью соответствовали оригиналу. Для работы на ярком солнце применялись небольшие темные палатки. Художник с камерой сидел внутри, а наружу высовывался только объектив - трубка с линзой.
В двадцатых годах XIX века был открыт способ химического закрепления изображения на светочувствительной пластинке, вставленной в камеру-обскуру вместо матового стекла. Самую первую фотографию удалось получить французу Жозефу Нисефору Ньепсу (1765-1833). С той поры камера-обскура превратилась в известный всем нам фотоаппарат.
Как мы видим, для решения большинства задач практической оптики вполне достаточно средств геометрической оптики. Однако существует ряд проблем, связанных с волновой природой света. Решением этих проблем, относящихся главным образом к вопросам взаимодействия света и вещества, а также к вопросам разрешающей силы оптических приборов, занимается физическая оптика.
3. Физическая оптика
Первые представления о том, что такое свет, относятся к древности. Подавляющее большинство древних мыслителей рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Однако позже, к началу XVII века, такое представление о природе света теряет свое значение.
Наслаждаясь видом безоблачного неба, мы вряд ли склонны рассуждать о том, что небесная синева - это одно из проявлений рассеяния света. Оказывается, синие лучи, падающие на Землю от Солнца, рассеиваются молекулами воздуха примерно в 6 раз сильнее красных, поэтому небо выглядит голубым, а солнце тем краснее, чем оно ближе к горизонту. Подобным образом объяснил голубой цвет неба в 1871 году знаменитый английский математик и физик Джон Уильям Страт (по отцу - лорд Рэлей). С тех пор рассеяние света на отдельных атомах или молекулах и вообще на маленьких частицах - с размерами, намного меньшими длины световой волны, называют рэлеевским рассеянием.
Другая точка зрения заключалась в том, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Позже, в XVII веке, эта точка зрения оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет является потоком неких частиц, испускаемых светящимся телом.
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве действие или движение. В дальнейшем его взгляды на природу света положили начало волновой теории света. Необходимо отметить, что огромную роль в развитии оптики сыграло определение скорости света. Впервые скорость света была определена датским астрономом Олафом Ремером (1644—1710) в 70-х годах XVII века. Проведя наблюдения над затмением спутников Юпитера и измерив время их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с.
В XVII веке происходит окончательное формирование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.
С точки зрения корпускулярной теории хорошо объяснялось прямолинейное распространение света и закон отражения света. Кроме того, закон преломления также не противоречил этой теории. Не было противоречий и с общими представлениями о строении вещества. Но, несмотря на преобладание взглядов о корпускулярной природе света, начинают развиваться и представления о его волновой природе.
Родоначальником волновой теории света является Декарт. Согласно его взглядам, свет - это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство (эфир). Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света. Однако необходимо отметить то, что взгляды Декарта носили чисто умозрительный характер.
Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618—1663), который заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое им явление ученый назвал дифракцией. Гримальди объяснял это явление тем, что свет — это флюид (тонкая неощутимая жидкость) и при встрече с препятствием возникают волны этого флюида.