Устройство подзорной трубы

устройство подзорной трубыЗрительная труба устроена так, чтобы человек, глядя в неё, видел предметы под большим углом зрения, чем он их видит невооружённым глазом.

Увеличение угла зрения достигается с помощью комбинации двояковыпуклого стекла с двояковогнутым или двух двояковыпуклых стёкол. Эти стёкла называют также линзами и чечевицами.

схема подзорной трубыДвояковыпуклая линза, как показывает само её название, выпукла с обеих сторон, она толще в середине, чем по краям. Если такую линзу обратить к отдалённому предмету, то, поместив за линзой на определённом расстоянии лист белой бумаги, можно заметить, что на нём получается изображение того предмета, к которому обра щена линза. Особенно хорошо это заметно, если обратить линзу к Солнцу - на белом листе получается изображение Солнца в виде яркого кружочка, и видно, что световые лучи, пройдя через линзу, собираются ею. Если подержать некоторое время бумагу в таком положении, то она может быть прожжена - так много здесь собирается лучистой энергии.)

Точка, через которую любой луч проходит, не преломляясь называется оптическим центром линзы (у двояковыпуклой линзы оптический центр совпадает с геометрическим).

Центр той сферы, частью которой является поверхность линзы, называется центром кривизны. У симметричной двояковыпуклой линзы оба центра кривизны лежат на равных расстояниях от оптического центра. Все прямые проходящие через оптический центр линзы, называются оптическими осями. Прямая, соединяющая центр кривизны с оптическим центром, называется главной оптической осью линзы.

Точка, где собираются прошедшие через линзу лучи, называется фокусом.

Расстояние от оптического центра линзы до плоскости, в которой расположен фокус (так называемой фокальной плоскости), называется фокусным расстоянием. Оно измеряется в линейных мерах.

Фокусное расстояние одной и той же линзы бывает различным в зависимости от того, как далеко от самой линзы находится предмет, к которому она обращена. Есть определённый закон зависимости фокусного расстояния от расстояния до предмета. Для расчёта зрительных труб наиболее важно главное фокусное расстояние, т. е. расстояние от оптического центра линзы до главного фокуса. Главным фокусом называется точка, в которой сходится после преломления пучок лучей, параллельных главной оптической оси. Он лежит на главной оптической оси, между оптическим центром и центром кривизны. Изображение предмета получается на главном фокусном расстоянии, или, как ещё говорят, «в главном фокусе» (что не совсем точно, ибо фокус - точка, а изображение предмета - плоская фигура), когда предмет так далеко отстоит от линзы, что лучи, идущие от него, падают на линзу параллельным пучком.

Одна и та же линза всегда имеет одно и то же главное фокусное расстояние. Различные линзы, в зависимости от их выпуклости, имеют различные главные фокусные расстояния. Двояковыпуклые линзы часто называют ещё «собирающими».

Собирающее свойство каждой линзы измеряется её главным фокусным расстоянием. Нередко, говоря про собирающее свойство двояковыпуклой линзы, вместо слов «главное фокусное расстояние» говорят просто «фокусное расстояние».

Чем сильнее преломляет лучи линза, тем меньше её фокусное расстояние. Чтобы сравнить между собой различные линзы, можно вычислять отношения их фокусных расстояний. Если, например, одна линза имеет главное фокусное расстояние 50 см, а другая 75 см, то, очевидно, сильнее преломляет линза с главным фокусным расстоянием 50 см. Мы можем сказать, что её преломляющие свойства больше, чем у линзы с фокусным расстоянием 75 см, во столько раз, во сколько 75 см больше, чем 50 см, т. е. в 75/50=1,5%

Преломляющее свойство линзы можно характеризовать также её оптической силой. Так как преломляющее свойство линзы тем больше, чем короче её фокусное расстояние, то за меру оптической силы может быть принята величина 1 : F (F - главное фокусное расстояние). За единицу оптической силы линзы принимается оптическая сила такой линзы, главное фокусное расстояние которой равно 1м. Эта единица называется диоптрией. Следовательно, оптическая сила какой-либо линзы может быть найдена делением 1м на главное фокусное расстояние (F) этой линзы, выраженное в метрах.

Оптическую силу принято обозначать буквой D. Оптические силы указанных выше линз (у одной F1 = 75 см, у другой F2 = 50 см) будут

D1= 100см / 75см = 1,33

D2= 100см / 50см = 2

Если в магазине вы покупаете линзу в 4 диоптрии (так обычно и обозначаются стёкла для очков), то её главное фокусное расстояние, очевидно, равно: F=100см / 4 = 25см.

Обычно, когда обозначают оптическую силу собирающей линзы', то перед числом диоптрий ставят знак « + » (плюс).

чертеж подзорной трубыДвояковогнутая линза имеет свойство не собирать, а рассеивать лучи. Если обратить такую линзу к Солнцу, то за линзой не получается никакого изображения, лучи, падающие на линзу параллельным пучком, выходят из неё расходящимся пучком в разные стороны. Если посмотреть через такую линзу на какой-нибудь предмет, то изображение этого предмета кажется уменьшенным. Ту точку, где «сходятся» продолжения рассеянных линзой лучей, называют также фокусом, но этот фокус будет мнимым.

Характеристики двояковогнутой линзы определяются так же, как и двояковыпуклой, но они связаны с мнимым фокусом. При обозначении оптической силы двояковогнутой линзы перед числом диоптрий ставят знак «-» (минус). Запишем в сводной таблице основные характеристики двояковыпуклой и двояковогнутой линз.



Двояковыпуклая линза (собирающая)Двояковогнутая линза (рассеивающая)
Фокус действительный. Главный фокус - точка, где собираются лучи от бесконечно удалённей светящейся точки (или, что то же самое, парал-лельные лучи). Изображение - действительное, перевёрнутое. Главное фокусное расстояние считается от оптического центра линзы до главного фокуса и имеет положительное значение. Оптическая сила положительна.Фокус мнимый. Главный фокус - точка, где пересекаются продолжения расходящихся лучей, идущих от бесконечно удалённой светящейся точки. Изображение - мнимое, прямое. Главное фокусное расстояние считается от оптического центра линзы до главного фокуса и имеет отрицательное значение. Оптическая сила отрицательна.

При построении оптических инструментов нередко применяют систему из двух или нескольких линз. Если эти линзы приложены одна к другой, то оптическую силу такой системы можно рассчитать заранее. Искомая оптическая сила будет равна сумме оптических сил составляющих линз или, как ещё говорят, диоптрия системы равна сумме диоптрий линз, составляющих её:

D0=D1+D2

Эта формула даёт возможность не только вычислить оптическую силу нескольких сложенных стёкол, но и определить неизвестную оптическую силу линзы, если имеется другая линза с известной силой.

Пользуясь этой формулой, можно узнать оптическую силу двояковогнутой линзы.

Пусть, например, мы имеем рассеивающую линзу и желаем определить её оптическую силу. Прикладываем к ней такую собирающую линзу, чтобы эта система дала действительное изображение. Если, например, приложив к рассеивающей линзе собирающую в +3 диоптрии, мы получили изображение Солнца на расстоянии 75 см, то оптическая сила системы равна:

D0=100см / 75см = +1.33

Так как оптическая сила собирающей линзы составляет +3 диоптрии, то оптическая сила рассеивающей линзы равна -1.66

Знак минус именно и показывает, что линза - рассеивающая.

Изменение расстояния от предмета до линзы влечёт за собой и изменение расстояния от линзы до изображения, т. е. фокусного расстояния изображения. Для вычисления фокусного расстояния изображения служит приведённая ниже формула.

Если d - расстояние от предмета до линзы (точнее, до её оптического центра), f - фокусное расстояние изображения и F - главное фокусное расстояние, то: 1/d + 1/f = 1/F

Из этой формулы следует, что если расстояние предмета от линзы очень велико, то практически 1/d=0 и f=F. Если d уменьшается, то f должно увеличиваться, т е. фокусное расстояние изображения, даваемого линзой, возрастает, и изображение всё дальше и дальше отходит от оптического центра линзы. Значение F (главного фокусного расстояния) зависит и от показателя преломления, стекла, из которого сделана линза, и от степени кривизны поверхностей линзы. Формула, выражающая эту зависимость, такова:

F=(n-1)(1/R1+1/R2)

В этой формуле n - показатель преломления стекла, R1 и R2 - радиусы тех сферических поверхностей, которыми ограничена линза, т. е. радиусы кривизны. Полезно иметь в виду эти зависимости, чтобы даже при поверх-ностном осмотре линзы иметь возможность судить о том, длиннофокусная ли она (поверхности мало искривлённые) или короткофокусная (поверхности очень заметно искривлённые).

Свойства собирающих и рассеивающих линз использованы в зрительных трубах.

конструкция подзорной трубыНа устройстве зрительной трубы изображена оптическая схема галилеевой зрительной трубы. Труба состоит из двух линз: двояковыпуклой, обращенной к предмету, и двояковогнутой, через которую смотрит наблюдатель.

Линзу, собирающую лучи от наблюдаемого предмета, называют объективом, линзу, через которую эти лучи выходят из трубы и попадают в глаз наблюдателя, называют окуляром.

Отдалённый предмет (не изображённый на чертеже подзорной трубы) находится далеко влево, на объектив падают лучи от верхней его точки (А) и от нижней точки (В). Из оптического центра объектива предмет виден под углом АО В.

Пройдя через объектив, лучи должны были бы собираться, но двояковогнутое стекло, поставленное между объективом и его главным фокусом, как бы «перехватывает» эти лучи и рассеивает их. В результате глаз наблюдателя видит предмет так, как будто лучи от него идут под большим углом.

Угол, под которым виден предмет невооружённым глазом, есть АОВ, а наблюдателю, смотрящему в трубу, кажется, что предмет находится в ab и виден под углом, который больше угла АОВ. Отношение угла, под которым предмет виден в зрительную трубу, к углу, под которым предмет виден невооружённым глазом, называется увеличением зрительной трубы. Увеличение может быть вычислено, если известны главное фокусное расстояние объектива F1 и главное фокусное расстояние окуляра F2. Теория показывает, что увеличение W галилеевой трубы равно: W= -F1/F2= -D2/D1, где D1 и D2 — соответственно оптические силы объектива и окуляра.

Знак минус показывает, что в галилеевой трубе оптическая сила окуляра отрицательна.

Длина галилеевой трубы должна быть равна разности фокусных расстояний объектива F1 и окуляра F2.

Так как положение фокуса меняется в зависимости от расстояния до наблюдаемого предмета, то при рассматривании недалёких земных предметов расстояние между объективом и окуляром должно быть большим, чем при рассматривании небесных светил. Чтобы иметь возможность установить надлежащим образом окуляр, его вставляют в выдвижную трубку.

устройство зрительной трубыНа конструкции подзорной трубы изображена оптическая схема кеплеровой подзорной трубы. Предмет находится далеко влево и виден под углом АОВ. Лучи от верхней и нижней точек предмета собираются в О' и О" и, идя дальше, преломляются окуляром. Поместив глаз за окуляром, наблюдатель увидит изображение предмета под углом А'СВ'. При этом изображение предмета будет представляться ему перевёрнутым.

Увеличение кеплеровой трубы: W= F1/F2= D2/D1,

Расстояние между объективом и окуляром в кеплеровой трубе равно сумме фокусных расстояний объектива F1 и окуляра F2. Следовательно, кеплерова труба всегда длиннее галилеевой, дающей то же увеличение при таком же фокусном расстоянии объектива. Однако эта разница в длинах тем меньше, чем больше увеличение.

В кеплеровой трубе, как и в галилеевой, предусмотрено передвижение окулярной трубки для возможности, наблюдения предметов, находящихся на разных расстояниях.

Добавлено: 2010-12-03 16:44:10 Прочитано: 41144 раз