Наш бизнес-партнер Bikinika.COM.UA

Наталія Ванханен

Наука і життя // Ілюстрації

Мал. 1. Так заломлюється світловий промінь, що впав у воду. Чим більше кут між променем і вертикаллю до поверхні, тим сильніше він заломлюється (а).

Мал. 2. Модель заломлення світла. Роль світлового променя грає траєкторія двоколісної візки; «Середовища» з різним показником заломлення - стільниця і серветка з пухкої тканини.

Досвід з монетою (він же фокус). На дно неглибокої миски покладіть монету ...

«Велика лінза Трюдо» - пристрій для отримання високої температури сфокусованим світлом Сонця. Франція, середина XIX століття.

Мал. 4. Хід променів в лінзі при різних положеннях даного предмета.

Досвід (він же фокус) з циліндричною лінзою. Роль лінзи виконує стакан з водою.

Ложка, опущена в склянку з водою, здається зламаною.

<

>

Дослідники, які вивчають навколишній світ, потребують наукових інструментах і приладах. У міру того як учені все глибше пізнають будову речовини, будову Всесвіту і природу живих організмів, ці прилади стають все складніше. Вважається, що першим інструментом дослідника була лупа - круглий шматочок прозорого матеріалу, потовщений в середині і тонкий по краях. Можливо, першим дослідником оптичних властивостей скла став арабський учений Аль Хазен (або Ібн-аль-Хайсам). У X столітті він написав: «Якщо дивитися крізь сегмент скляної кулі, він стане збільшувати предмети».

Лупа (і інші оптичні прилади) здатна збільшувати предмети в кілька разів. А відбувається це тому, що в матеріалі, з якого вона зроблена (наприклад, в склі), швидкість світла менше, ніж в повітрі. Світловий промінь, падаючи під кутом на межу між повітрям і склом, ламається. Крутизна цього зламу залежить від властивостей скла - його показника заломлення. Величина показника заломлення тим більше, чим сильніше відрізняються швидкості світла в повітрі і в речовині - склі, воді, прозорою пластмасі (рис. 1).

Наочно побачити, як світловий промінь змінює напрямок, переходячи з одного середовища в іншу, можна за допомогою нескладного досвіду.

Візьміть два коліщатка від іграшкової машинки (або виріжте їх з картону) і насадити на вісь - дерев'яну паличку довжиною 8-10см. Шлях, по якому покотиться така візок, зобразить хід світлового променя, а її швидкість - швидкість світла.

Закрийте частина столу серветкою або скатертиною. Вийде модель двох середовищ. В одній (гладка стільниця) «швидкість світла» велика; в інший, більш щільною (пухка тканина), - мала (фото вгорі).

Запустіть візок перпендикулярно кордоні «середовищ». Вона торкнеться кордону одночасно обома колесами і поїде далі повільніше, але не змінюючи напрямку. «Спотворення світу» не відбувається. Якщо ж ви пустите візок під кутом до кордону, то в перший момент вона наїде на кордон тільки одним колесом, швидкість якого зменшиться. Але друге колесо продовжить котитися по дошці з колишньою швидкістю. В результаті візок розгорнеться на деякий кут і покотиться по серветці іншим шляхом. «Промінь світла» зазнав «переломлення». А минувши «щільну середу» (серветку), візок розгорнеться на такий же кут, але в протилежну сторону, і покотиться по траєкторії, паралельної початкової (рис. 2).

Візок, пущена назад по своєму шляху на серветці, випробує «переломлення» на кордоні, але вже у зворотний бік і рушить по стільниці, повторюючи початковий шлях. В оптиці це явище називається законом оборотності світлових променів.

Повернемося до лінзи. Її поверхня криволинейна, тому всі промені, які падають на неї, за винятком потрапляє в самий центр, переломлюються. Центральний промінь проходить лінзу наскрізь або зовсім без заломлення, або заломлюючись двічі і лише злегка зміщуючись в просторі. Форма лінзи підібрана так, що паралельні промені, пройшовши крізь неї, сходяться в одній точці, яка називається фокусом (в перекладі з латині focus - вогнище, вогонь: сонячні промені, зібрані лінзою, дійсно здатні не тільки запалити полум'я, але і розплавити метал). А промені, відбиті від якогось предмета, сходяться в фокальній площині (на ній лежить точка фокусу), створюючи його зображення.

Тепер ми зі знанням справи можемо намалювати хід променів в лінзі для різних випадків (рис. 4). Намалюємо пряму, що проходить через центр лінзи, - її оптичну вісь. Відкладемо на ній праворуч і ліворуч від лінзи дві точки фокуса і дві точки на подвійному відстані від лінзи (вони нам у пригоді стануть). Подивимося, як підуть через лінзу промені, відбиті від предмета, який станемо поміщати на різних відстанях від неї (рис. 4а).

З незліченної безлічі світлових променів, відбитих від предмета, нам знадобляться тільки два, що виходять з однієї його точки. Один промінь пустимо через центр лінзи - він пройде наскрізь, чи не поламав (невеликим зсувом променя пренебрежем). Другим буде промінь, що йде паралельно оптичної осі лупи. Після заломлення він потрапить в точку фокусу. Їх перетин дасть одну точку зображення. Таким же способом можна отримати всі інші точки, побудувавши зображення цілком.

Проведемо два експерименти.

1. Предмет помістимо на відстані, трохи більшому фокусної. Побудувавши хід згаданих променів, ми побачимо, що всі вони перетнулися за лінзою, створивши збільшене і перевернуте зображення предмета за подвійним фокусною відстанню. Почнемо відсувати предмет. Його зображення стане зменшуватися і наближатися до лінзи (рис. 4а).

Зображення предмета, що знаходиться на подвійному фокусній відстані від лінзи, виникне на такій же відстані за нею і буде мати такий же розмір (рис. 4б).

Чим далі знаходиться предмет, тим менше його зображення, тим ближче воно до фокальній площині, а починаючи з певної відстані, свого для кожної лінзи, яке вважається нескінченним, лежить вже точно на ній (рис. 4в).

Всі ці зображення цілком реальні, вони називаються дійсними, їх можна спроектувати на папір і обвести олівцем, зафіксувати на фотоплівці або на матриці цифрової відео-техніки. Лінзи, які застосовують для отримання дійсних зображень, служать об'єктивами фотоапаратів, відеокамер та інших оптичних приладів. Але використовують їх не поодинці, а збираючи в групи, конструюючи складні оптичні системи, що дають зображення високої якості.

Якщо ж предмет помістити на відстані, рівному фокусній, всякої подоби не вийде: промені після заломлення стануть паралельними. Зате крапка, що світиться в фокусі лінзи (рис. 4г) відповідно до закону оборотності дасть паралельний пучок променів, як це і відбувається в різних прожекторах і ліхтарях.

2. Предмет поміщений між лінзою і точкою її фокуса. В цьому випадку лінза працює як лупа, перший науковий ін-струмент, багато століть назад озброїв очей дослідника.

Розглянемо хід променів в лупі, виконавши ті ж побудови, що і раніше (рис. 4д).

І тут нас підстерігає несподіванка: промені не перетинаються, а розходяться, і всякої подоби на нашому побудові не виходить! Однак ми його бачимо. Чому? Саме тому, що ми його бачимо.

Людське око влаштований таким чином, що розходяться промені він сприймає як промені, що виходять з однієї точки. І, продовживши лінії побудови на кресленні до їх перетину, ми отримаємо точку удаваного (мнимого) зображення. Його насправді не існує, воно - плід зорової ілюзії і нашої уяви. Але це зображення сильно збільшено в порівнянні з предметом, на ньому видно дрібні деталі, непомітні неозброєним оком.

На оправі лупи зазвичай відзначають її збільшення, наприклад 7 ×, 10 × або 7 ×, 15 ×, що означає: лупа збільшує в 7, 10 або 15 разів, тобто в стільки разів вона як би наближає предмет до ока. Людина з хорошим зором розрізняє дрібні деталі найкраще в 25см від очей (це відстань найкращого зору). А лупа, «наближаючи» предмет до відстані кількох сантиметрів, дозволяє побачити деталі ще більш дрібні.

Фокусна відстань лупи f дорівнює відстані найкращого зору, діленому на її збільшення N: f = 25 / Nсм. І, якщо предмет помістити в фокус лупи, очей побачить його на нескінченності.

Лінзи бувають не тільки сферичні. У складних оптичних приладах ставлять лінзи з поверхнею в формі параболоїда, еліпсоїда і інших, не менш складних форм. Широко застосовуються і циліндричні лінзи.

Стандартний кінокадр на плівці має формат 18 × 24 мм. Цей кадр проектується на екран із співвідношенням сторін 1 × 1,5. Але років п'ятдесят тому виникло широкоекранний кіно, де застосовувався екран із співвідношенням сторін приблизно 1 × 3. Щоб вмістити такий широкий кадр на вузькій плівці, при зйомці фільмів застосували циліндричні лінзи (їх називають анаморфотной, тобто змінюють форму). Такі лінзи стискають зображення по горизонталі, залишаючи вертикальні розміри без зміни. Люди на цих кадрах виглядають сильно витягнутими і дуже худими (нагадують ляльку Барбі). Проектується фільм теж через циліндричну лінзу, яка розтягує горизонтальні розміри зображення, надаючи йому нормальний вигляд.

Щоб слабозорі люди могли читати дрібний текст, була придумана циліндрична лупа - скляна паличка діаметром сантиметра півтора, яку котили по рядках на сторінці, збільшуючи розмір букв в рядку.

Лупа, вперше згадана трохи менше двох тисяч років тому, до цих пір залишається одним з найбільш затребуваних інструментів і в науці і в житті. Геологи, ботаніки, ентомологи та інші дослідники носять з собою складні лупи. Дослідники в лабораторії застосовують так звані препарувальні штативні лупи. Хірурги, розглядаючи операційне поле, і монтажники електронних пристроїв застосовують бінокулярні лупи для обох очей. Лупа може змінювати форму і призначення, перетворюючись в об'єктив, бінокль, окуляри, пенсне, лорнет, мікроскоп та інші не менш корисні пристрої, але, судячи з усього, залишиться назавжди.