Урок 14. Оптические приборы
Предмет: Физика, 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 14. Оптические приборы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) практическое применение основных понятий и законов геометрической оптики в изучаемых приборах;

2) принцип действия микроскопа, телескопа, фотоаппарата и проектора;

3) применение оптических приборов на практике.

Глоссарий по теме:

Оптические приборы – устройства, в которых электромагнитное излучение преобразуется для нормального восприятия его человеческим глазом.

Угловое увеличение – отношение угла зрения при наблюдении предмета через оптический прибор к углу зрения при наблюдении простым глазом.

Угол зрения – угол, образованный прямыми, проведенными от краев предмета в оптический центр глаза.

Лупа – собирающая короткофокусная линза (или система линз), вставленная в оправу, позволяющая получить увеличенное изображение мелких предметов.

Микроскоп – увеличительный прибор для рассматривания предметов, неразличимых простым глазом.

Увеличение микроскопа – отношение угла зрения, при котором предмет виден при наблюдении через микроскоп, к углу зрения при наблюдении невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения

Телескоп (от греч. теле – вдаль и скопео – смотрю) – астрономический инструмент для наблюдения удаленных объектов путем сбора электромагнитного излучения.

Фотоаппарат (фотографический аппарат) – устройство для получения и фиксации неподвижных изображений материальных объектов при помощи электромагнитного излучения.

Дагертопия – ранний фотографический процесс, основанный на светочувствительности йодистого серебра.

Кинокамера – устройство, предназначенное для записи движущегося изображения на киноплёнку.

Кинопроектор (кинопроекционный аппарат) – аппарат, предназначенный для воспроизведения движущегося изображения и звука, записанных на киноплёнке.

Проектор – оптический прибор, предназначенный для создания действительного изображения плоского предмета небольшого размера на большом экране.

Диапроектор (слайд-проектор) – разновидность проекционного аппарата для демонстрации диапозитивов, и других прозрачных носителей неподвижного изображения.

Диапозитив – позитивное фотографическое изображение на прозрачном материале, предназначенное для демонстрации на экране с помощью проектора.

Оверхед-проектор (кодоскоп) – оптический прибор, предназначенный для проекции прозрачных оригиналов с изображением на большой экран.

Разрешающая способность оптических приборов – величина, характеризующая способность эти приборов давать раздельное изображение двух близких друг к другу объектов.

Список обязательной и дополнительной литературы:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 172 -202.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Практическое применение электромагнитного излучения, разумное использование законов геометрической оптики привело человечество к изобретению оптических приборов, вооружающих глаз. Первым оптическим прибором были очки. Вслед за очками появилась лупа для рассмотрения мелких предметов. Люди стали получать изображения, используя систему нескольких линз и зеркал. Так стали получаться более сложные оптические приборы.

Оптические приборы разделены на две большие группы:1) визуальные приборы, которые действуют только совместно с человеческим органом зрения и не образуют изображений на экране. К ним относятся лупа, микроскоп, телескоп и др. 2) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К этой группе относятся фотоаппараты, проекционные аппараты и др.

Принцип действия лупы основан на использовании свойства собирающей линзы создавать мнимое, прямое, увеличенное изображение.

Увеличение лупы Г равно:

где d0 - расстояния наилучшего зрения (около 25 см), равное расстоянию f от линзы до изображения; F – фокусное расстояние.

Расстояние d от предмета до линзы приблизительно равно фокусному расстоянию:

Наряду с увеличением размеров предмета, лупа дает угловое увеличение, что позволяет лучше рассмотреть предмет.

Оптические системы, как правило, состоят из набора линз или набора линз и зеркал, в которых последовательно получаются изображения предмета. Изображение, полученное в первой линзе, является предметом для второй линзы. Изображение, полученное во второй линзе, является предметом для третьей и т.д. Эта последовательность в получении изображения лежит в идее создания микроскопа и телескопа.

Полное увеличение микроскопа:

где Гоб - увеличение объектива;

Гок – увеличение окуляра.

Для нормального глаза при удалении от объекта на расстояние наилучшего видения минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм. Микроскоп дает возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.

В 1609 г. Галилео Галилей, на основании дошедших до него сведений об изобретённой в Голландии подзорной трубе (автор Иоанн Липперсгей), строит свой первый телескоп, дающий приблизительно трехкратное увеличение. Вскоре учёный построил телескоп с увеличением в 32 раза и с помощью него были обнаружены горы, кратеры на Луне и пятна на Солнце; открыты четыре спутника Юпитера - Ио, Европа, Ганимед, Каллиосто; фазы Венеры; выяснилось, что Млечный путь состоит из множества звезд.

В середине XVII века изготовление телескопов стало обычным делом, но техника создания телескопов совершенствуется и по сей день.

Телескопы для наблюдений в световых лучах называют оптическими, а для приема радиоволн – радиотелескопами.

У всех телескопов принципиальная схема устройства одинакова: любой оптический телескоп состоит из окуляра и объекта, треноги или фундамента, на который устанавливается труба, монтировки с осями наведения на объект.

По своей оптической схеме телескопы делятся на: линзовые (рефракторы или диоптрические); зеркальные (рефлекторы или катаптрические); зеркально-линзовые (катадиоптрические).

Основными параметрами телескопа являются светосила, видимое увеличение и разрешающая способность.

Светосилу телескопа определяют диаметр объектива и его фокусное расстояние:

A – светосила телескопа;

d – диаметр объектива;

F – фокусное расстояние объектива.

Увеличение телескопа:

W – увеличение телескопа;

Fоб – фокусное расстояние объектива;

Fок – фокусное расстояние окуляра.

Предельное разрешение (в секундах дуги) визуальных телескопов, рассчитанных на восприятие световых волн с длиной 550 нм (жёлто-зелёные лучи), которые наиболее эффективно воздействуют на человеческий глаз находится по формуле:

ϴ - минимальное угловое расстояние между двумя точками, которые можно четко различить в телескоп;

D – диаметр объектива (в мм).

Для получения значительного увеличения объективы в телескопах должны длиннофокусными (фокусное расстояние в несколько метров), а окуляры – короткофокусными (несколько миллиметров).

В больших телескопах в качестве объективов применяют не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называют рефлекторами. Зеркала, в отличие от линз, не обладают хроматической аберрацией. Также чтобы уменьшить негативное влияние атмосферы на качество добываемой информации, телескопы устанавливают в высокогорных районах. Например, самым крупным телескопом в России считается Большой Телескоп Азимутальный Специальной астрофизической обсерватории РАН, установленный в горах Северного Кавказа.

Помимо наземных обсерваторий появились орбитальные обсерватории, которые значительно увеличивает возможности по работе в недоступном прежде угловом разрешении. Первым космическим телескопом является телескоп им. Эдвина Хаббла, созданный в США и запущенный в 1990 г. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7 – 10 раз больше, чем у аналогичных наземных телескопов.

С помощью современных телескопов учёные пытаются уточнить возраст Вселенной, объяснить механизмы и эволюцию звезд, галактик и планетных систем и т. д.

Визуально-оптическое наблюдение, проводимое человеческим глазом, не позволяет регистрировать изображение до последующего изучения или документирования результатов наблюдения. Для этих целей используют фотоаппараты, кинопроекционные аппараты, проекторы.

Большое значение имеют оптические измерительные приборы, в которых визирование (совмещение границ контролируемого размера предмета с визирной линией, перекрестием и т. п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия

Разбор тренировочного задания.

1. Заполните пропуски в тексте:

«Основное назначение телескопов состоит не в достижении _________ увеличения, а в том, чтобы ________ как можно больше световой _________ от небесного тела и различить как можно ________ детали»

Варианты ответов: собрать; малого; большого; разложить; меньшие; энергии; большие.

Правильный вариант: большого; собрать; энергии; меньшие.

2. Объектив телескопа имеет фокусное расстояние 10 м, а окуляр 5 см. Определите увеличение, даваемое телескопом. Выберите неверные ответы.

Варианты ответов:

2000;

200;

24;

50.

Правильный вариант: 1); 3); 4).

Решение:

Увеличение телескопа:

Ответ: 200.