Тема «Оптические приборы»
План
1. Шкала электромагнитных волн.
2. Ход лучей в линзах.
3. Оптические приборы (очки, проекционный аппарат, микроскоп, спектроскоп)
Инструкция к выполнению работы.
1. Прочитать теоретический материал.
2. Сделайте конспект.
Изложение материала
1. Шкала электромагнитных волн. Электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 105 до 1012 Гц, возникают электромагнитные излучения относящиеся к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.
Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1—2 мм, но большей 8-10 – 7 м, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света.
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.
С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8·10 -7 до 4·10 –7 м, от красного до фиолетового света.
Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.
Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение. В 1801 г. немецкий физик Иоганн Риттер (1776— 1810), исследуя спектр, открыл, что за его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.
К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4·10 –7 до 1·10 –8 м.
Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека — загару.
Рентгеновские лучи. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов. Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 –14 до 10 –7 м называются рентгеновскими лучами.
Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.
Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.
Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение — самое коротковолновое электромагнитное излучение (λ≤10 –10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц — гамма-квантов.
2. Ход лучей в линзах. Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Тонкой называется линза, толщина которой значительно меньше радиусов ограничивающих ее сферических поверхностей. Линза, которая в середине толще, чем у краев, называется выпуклой линзой. Линза, которая у краев толще, чем в середине, называется вогнутой линзой. Прямая, проходящая через центры O1 и О2 сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью линзы.
Если толщина линзы пренебрежимо мала, то можно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке. Точка О пересечения главной оптической оси с тонкой линзой называется оптическим центром линзы.
Луч света, идущий вдоль главной оптической оси, проходит через линзу без изменения направления распространения. В воздухе или в вакууме все лучи, параллельные главной оптической оси выпуклой линзы, после прохождения линзы отклоняются к оси и проходят через одну точку F на главной оптической оси. Поэтому выпуклые линзы называют собирающими линзами. Точка F называется главным фокусом линзы. Плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси, называется фокальной плоскостью.
У линзы два главных фокуса в однородной среде расположены на одинаковых расстояниях от ее оптического центра. Расстояние от оптического центра линзы до главного фокуса называется фокусным расстоянием F линзы. Все лучи, проходящие через один из ее главных фокусов, выходят из линзы параллельно главной оптической оси.
В воздухе или в вакууме все лучи, параллельные главной оптической оси вогнутой линзы, отклоняются от оптической оси, поэтому вогнутые линзы называются рассеивающими линзами. Продолжения лучей в противоположную сторону сходятся в одной точке F на главной оптической оси перед линзой. Эта точка называется главным фокусом рассеивающей линзы. Главный фокус рассеивающей линзы мнимый.
Расстояние f от собирающей линзы до изображения связано с расстоянием d от предмета до линзы и фокусным расстоянием F линзы.
Это уравнение называется формулой тонкой линзы.
Формула линзы применима для нахождения расстояния до изображения при любом расположении предмета относительно линзы.
Если значение расстояния f получается при расчете отрицательным, то это значит, что изображение предмета мнимое и находится по ту же сторону от линзы, что и предмет. Для рассеивающей линзы значение фокусного расстояния в расчетах нужно брать со знаком «минус» и, так как изображение предмета получаем мнимым, расстояние f до изображения всегда должно быть со знаком «минус».
Величина, обратная фокусному расстоянию F, называется оптической силой линзы D:
.
Оптическая сила выражается в диоптриях (дптр). Линза с фокусным расстоянием 1 м обладает оптической силой в 1 дптр. Оптическая сила, собирающей линзы положительна, оптическая сила рассеивающей линзы отрицательна.
В зависимости от положения предмета относительно линзы линейные размеры изображения изменяются. Отношение линейных размеров Н изображения к линейным размерам h предмета называется линейным увеличением Г: 
.
Глаз как оптическая система. Оптическая система глаза человека подобна оптической системе фотоаппарата.
При построении изображения предметов на сетчатке глаза основную роль играет преломление света на сферической поверхности границы раздела системы «роговица — воздух», дополнительное преломление осуществляется хрусталиком, находящимся за радужной оболочкой. Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы. Радиус кривизны хрусталика изменяется под действием специальной мышцы. Этот процесс называется аккомодацией.
Оптические приборы.
Очки. Если оптическая система глаза дает изображение далеких предметов за сетчаткой, то человек страдает дальнозоркостью. Для исправления этого дефекта применяются очки с собирающими линзами.
При близорукости глаза изображение получается перед сетчаткой. Для исправления этого дефекта применяются очки с рассеивающими линзами.
Проекционный аппарат. Для получения увеличенных изображений предметов применяются проекционные аппараты. Диапроекторы используют для получения неподвижных изображений, с помощью кинопроекторов получают быстро сменяющиеся кадры изображения, воспринимаемые глазом человека как движущиеся изображения.
В проекционном аппарате рисунок или фотоснимок предмета на прозрачной пленке или стекле помещают от объектива на расстоянии d, удовлетворяющем условию: F <d< 2F. Для освещения пленки используют электрическую лампу или электрическую дугу 1 (в стационарном киноаппарате). Для концентрации светового потока от источника света на пленку применяется конденсор 2. Конденсор представляет собой систему из линз, собирающих расходящийся от источника света световой поток на кадре пленки 3. Изображение ярко освещенной пленки создается на экране 5 с мощью объектива 4 диапроектора или кинопроектора.
Микроскоп. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из объектива и окуляра. Самый простой микроскоп — это система из двух линз. Предмет помещается перед линзой, служащей объективом, на расстоянии d, удовлетворяющем условию F1<d<2F1, и рассматривается через окуляр, используемый в качестве лупы. Увеличение Г, получаемое с помощью микроскопа, равно произведению увеличения объектива Г 1 на увеличение окуляра Г2.
Спектроскоп. Прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров называется спектроскопом. Спектроскоп состоит из двух труб — коллиматорной и зрительной, укрепленных на подставке, и стеклянной призмы под крышкой. На одном конце коллиматорной трубы имеется щель для выделения узкого пучка света, на другом ее конце — линза для превращения расходящегося пучка света в параллельный пучок. Параллельный пучок света, выходящий из коллиматора, попадает на грань стеклянной призмы, разлагается на параллельные пучки света разного цвета. Линза зрительной трубы фокусирует каждый из параллельных пучков и дает, таким образом, изображение щели.
Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе.
Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно.
Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом.
Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы.
Дополнительно в электронной версии учебника прочитать пункт «Глаз как оптическая система» стр. 336-338