Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ЛУПА

Мікроскоп і телескоп можна вважати найближчими нащадками окулярів. Перші окуляри з’явилися, імовірно, в XIII ст., хоча й існують історичні свідчення, що принцип окулярів був відомий людям ще в давнину. Так, римський імператор Нсрон, який, очевидно, страждав короткозорістю, користувався прозорим і відшліфованим відповідним чином кристалом, щоб розглядати віддалені предмети. Звичайно, у ті часи досить великі й відшліфовані, можливо, у вигляді лінзи дорогоцінні камені були доступні тільки могутнім і багатим людям.

Відкриття способу одержання незрівнянно дешевшого скла в ранньому середньовіччі зробило окуляри набагато доступнішими, але однаково шліфування скла вимагало певного мистецтва (і сьогодні точне шліфування й полірування великих стекол, наприклад, для телескопів, — дуже складний і трудомісткий процес). Перші стекла мали за сьогоднішніми поняттями досить невисоку якість: вони були пляшкового кольору, а усередині мали безліч бульбашок повітря. Поступово окуляри ставали дедалі розповсюдженішим інструментом для компенсації вад зору, які в ті часи зустрічалися, ймовірно, не так уже й рідко (хоча багато вчених схильні вважати, що в міру розвитку цивілізації людський зір погіршується).

Очевидно, у ті роки й були виявлені збільшувальні властивості окулярних стекол — лінз. Можна припускати, що свій родовід збільшувальне скло (лупа) веде від лінз, виготовлених із прозорих матеріалів. Дорогоцінні камені, як правило, невеликі за своїми розмірами і це, як побачимо далі, було однією з великих переваг виготовлених з них лінз. Іншими безсумнівними перевагами їх у порівнянні зі склом того часу були безбарвність і висока прозорість багатьох мінералів.

Пригадаймо, як утворюється зображення предмета в лупі. Якщо предмет помістити у фокальній площині лінзи, то промені світла, що розходяться від кожної його точки

вийдуть після переломлення в лінзі паралельним пучком. Пройшовши крізь кришталик ока, вони зберуться на сітківці (зрозуміло, якщо око нормальне), де й створять зображення. При цьому око можна розташувати на будь-якій відстані відлупи. Наприклад, на її фокусній відстані. Але заберемо лупу — і предмет удасться якнайкраще роздивитися, лише відсунувши око на відстань найкращого зору, що дорівнює 0,25 м.

Це означає, що кутові розміри зображення предмета на сітківці ока α', коли ми використовуємо лупу, у стільки разів більше кута, під яким предмет видно неозброєним оком, а, у скільки разів відстань найкращого зору більше фокусної відстані лупи f. Відношення цих кутів (зазвичай вони малі, не більше декількох градусів: у протилежному випадку замість кутів необхідно використовувати їхні тангенси) називають поперечним збільшенням лупи. Від кутів можна перейти до лінійних розмірів предмета l і його зображення l'. Тоді збільшення

Тепер стає зрозумілою перевага малих розмірів. Збільшення, якого можна досяіти за допомогою лупи, тим більше, чим менша її фокусна відстань. А фокусна відстань лінзи пропорційна радіусу її кривизни (і обернено пропорційна показнику заломлення її матеріалу). Маленькому кристалу легше надати малий радіус кривизни й у такий спосіб домогтися малої фокусної відстані, а отже, і великого збільшення.

Засновник наукової мікроскопії, чудовий голландський мікроскопіст Левенгук був вправним шліфувальником мінералів. Для виготовлення луп він нерідко використовував найменші піщини кварцового піску. Шліфуючи прозорі піщини у формі майже ідеальних кульок, він зміг з їхньою допомогою виготовити лупи зі збільшенням більш ніж в 100 разів, а одна зі збережених його луп має майже 300-кратне збільшення!

При спостереженні предмета в лупу світлові промені йдуть від лінзи до ока паралельним, а то й розбіжним (якщо предмет поміщений до лупи ближче, ніж па фокусній відстані) пучком. Інакше кажучи, зображення предмета є мнимим, знаходиться з того боку лупи, що й предмет. Якщо помістити на місцеока фотопластинку,то вона не зафіксує ніякого зображення предмета. Це на перший погляд виглядає парадоксально: що ж у такому випадку реєструють світлочутливі клітини сітківки ока? Відповідь проста: вони фіксують дійсне зображення. При розгляданні предмета через лупу в спостереженні беруть участь дві лінзи: лупа й кришталик ока. Завдяки кришталику паралельний або навіть розбіжний (але не занадто сильно!) пучок світла від лінзи стає збіжним й створює у фокусі кришталика дійсне зображення. Щоб одержати такс зображення на фотопластинці, природно, потрібна додаткова лінза.

Важливо розуміти, що в дійсності збільшене мниме зображення предмета, що дається, наприклад, лупою, є ілюзією зору: ніякого предмета на місці зображення немає. Тандем очей — мозок не розв'язує важку задачу про те, звідки насправді прийшли промені світла і яких переломлень або відбиттів вони зазнали на своєму шляху. Він віддає перевагу простому рішенню: приймає, що промені світла йшли тільки прямими лініями, і «поміщає» предмет там, де він повинен бути при роздивлянні його неозброєним оком. Чудово відома також інша подібна ілюзія, яка виникає, коли ми спостерігаємо зображення предмета в дзеркалі. Якщо предмет має ідеальну симетрію правого й лівого боків, а дзеркало ідеально плоске, то не можна відрізнити, чи бачимо ми сам предмет або його зображення, особливо якщо дзеркало не має дефектів і не помітна його оправа.

Мозок майже завжди приймає на віру ту інформацію, яку дають йому очі. І якщо на сітківці виникають, наприклад, два однакові зображення, навіть якщо вони отримані за допомогою абсолютно різних оптичних інструментів, мозок «відмітає* ці інструменти й свідчить: це той самий предмет і знаходиться він там, де його бачить неозброєне око.

Більшість ілюзій зору при роботі ока у звичайних умовах досить нешкідливі, інакше еволюція вже давно забракувала б організми, «схильні» до істотних ілюзій. Проте проблема утворення зображення в оптичних інструментах, навіть якщо відволіктися від ще складніших процесів фіксації зображення за допомогою світлочутливих матеріалів, зовсім не проста. І та побудова ходу променів, яку здійснюють у геометричній оптиці, є, по суті, лише першим кроком у її розв'язанні.

Повернемося до розгляду лупи. Кожен, хто хоч раз розглядав предмет у лупу, знає, що поле зору не має різко окреслених країв: при віддаленні від центру поля зору освітленість зображення на периферичних ділянках сітківки

поступово спадає до нуля. Умовне поле зору обмежують променями, які заповнюють не менше ніж половину площі зіниці. Таким чином, лінійні розміри поля зору залежать від відстані між лупою й оком і збільшуються в міру наближення ока до лупи. У той момент, коли відстань між ними порівнюється із задньою фокусною відстанню лупи, лінійні розміри поля зору дорівнюють діаметру лупи. Тепер зрозуміло, якою ціною досягається велике збільшення лупи: при дуже малій фокусній відстані й предмет, і око доводиться розташовувати майже впритул до лупи. Про незручність таких умов спостереження говорити не доводиться.

Але відразу треба зробити застереження. Лупа — інструмент для одержання виразного зображення. Натомість око, що перебуває в спокої, фіксує різке зображення лише в дуже невеликій ділянці поля зору, з кутовими розмірами 1-2°, тобто в ділянці, що проектується на центральну ямку сітківки. Ілюзія одночасного одержання різкого зображення набагато ширшої ділянки пов'язана з тим, що око безупинно обертається навколо центру, віддаленого приблизно на 15 мм від зіниці. Унаслідок швидкості такого обертання зорові образи, отримані в різних точках поля зору, встигають завдяки інерційності зору накластися один на одного. Через це при спостереженні в лупу ділянка, у якій фіксується різке зображення, значно розширюється.

Особливо слід сказати про яскравість зображення. Коли діаметр лупи більше від діаметра зіниці (при цьому фокусна відстань лупи досить велика, а збільшення мале), частина предмета, що відображається променями, які заповнюють площу зіниці, має таку ж яскравість, як і при спостереженні неозброєним оком (звичайно, якщо ігнорувати малі втрати світла при підбитті й розсіюванні в лупі). Поза цими межами яскравість зображення поступово зменшується до країв поля зору. Натомість у лупах з малою фокусною відстанню, діаметр яких менше від площі зіниці, навіть у центрі поля зору яскравість зображення менша від яскравості предмета, спостережуваного неозброєним оком. Разом з тим яскраво освітити предмет, що знаходиться майже впритул до лупи з великим збільшенням, надзвичайно важко.

І все-таки, незважаючи на ці недоліки, лупа зіграла величезну роль у розвитку науки. Лупа була не тільки попередницею мікроскопа, але й повноправною його конкуренткою, принаймні, протягом усього XVII ст. поки мікроскоп ще переживав період дитинства. Англійський натураліст Гук називав лупу «простим мікроскопом». У ті роки в лупу полюбляли розглядати дрібних комах, тому її часто називали також «блошиним склом». Гук писав, що «при розгляданні в лупу предмет здається набагато чіткішим, виразним і більшим, ніж у подвійний мікроскоп... До того ж при спостереженні в лупу легко уникнути появи кольорів, які псують зображення в подвійному мікроскопі». Справа в тому, що лупі не властива хроматична аберація.

Мистецтво виготовлення луп в XVII ст. досягло найвищого рівня. Уже згадуваний Левенгук власноручно виготовив близько 500 лінз. Як правило, всі ці лупи мали надзвичайно малі розміри й вирізнялися разюче високою якістю виготовлення. Так, діаметр однієї з луп, що давала збільшення в 275 разів і мала поле зору 5 см, був близько 1 см. Цікаво, що такі збільшення й поле зору перевищували ті, яких зміг досягти знаменитий оптик Цейсе два століття по тому! Інша лупа Левенгука, що дійшла до нас, має товщину 1 мм і радіус кривизни 0,75 мм. При цьому варто врахувати, що подібні лупи оброблялися не під мікроскопом, а під неозброєним оком! Лінзи встановлювали між двома металевими пластинками, у яких були висвердлені маленькі отвори для пропускання світла. Об’єкт спостереження закріплювали на кінчику вістря й виводили у фокус лупи спеціальними гвинтами. Інструмент був на диво компактним і легко вміщався в жилетній кишені.

Левенгук був першим, кому пощастило побачити найпростіших тварин і бактерії. Результати своїх спостережень він повідомляв у Лондонське королівське товариство натуралістів; перші його листи до цього товариства датовані 1674 р. Зроблені ним відкриття часто випереджали успіхи тих дослідників, які користувалися «подвійним мікроскопом», а істинна сутність його відкриттів стала зрозумілою вченим тільки понад століття по тому!

У наступні роки лупу вдосконалювали. Як одиночній лінзі лупі властива безліч аберацій, хоча нерідко вони й не псують істотно зображення. У XIX ст. з’явилися перші складені лупи, спочатку із двох не з’єднаних між собою лінз складної форми. Але зрештою лупа не витримала змагання з мікроскопом. Сьогоднішня її доля — створювати зображення при порівняно невеликих збільшеннях (дуже великим уважається збільшення в 40 разів). Оскільки такі луни мають порівняно велику фокусну відстань, а діаметр зіниці ока малий, в око потрапляють лише вузькі пучки променів, що проходять поблизу оптичної осі лупи. Аберації, пов’язані із широкими пучками променів, можна при цьому не брати до уваги, тому лупи малого збільшення зазвичай виготовляють із однієї лінзи.









загрузка...