Физика (стр. 10 )

 

Рис. 3.1.18

Микроскоп. Этот прибор служит для получения больших увеличений. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра (рис. 3.1.19). Объектив дает промежуточное увеличенное изображение вблизи переднего фокуса окуляра. Это изображение рассматривается через окуляр, как через лупу. Как и лупа, микроскоп дает возможность рассматривать изображение предмета под значительно большим углом, чем это возможно для невооруженного глаза.

 

Рис. 3.1.19

Расчет показывает, что увеличение микроскопа равно .

На рис. 3.1.18 – расстояние наилучшего зрения; на рис. 3.1.19 – расстояние между объективом и окуляром; – фокусные расстояния объектива и окуляра соответственно. Окуляры и объективы микроскопа делаются сменными, благодаря чему можно быстро менять увеличение системы. Формула увеличения микроскопа показывает, что, уменьшая фокусные расстояния объектива и окуляра, можно получить очень большие увеличения. Существуют оптические микроскопы с увеличением около . Однако, осуществляя большие увеличения, мы можем повысить разрешающую способность микроскопа лишь до известного предела. Это связано с необходимостью учитывать волновые свойства света. Волновая природа света накладывает определенный предел на разрешающую способность всех оптических систем, в том числе и микроскопа. Если две точки объекта находятся одна от другой на расстоянии, меньшем некоторого предела, то мы не сможем их «разрешить»: их изображения всегда будут сливаться между собой, каким бы большим увеличением не обладал микроскоп. Поэтому на практике применяются микроскопы с увеличением не более .

Зрительные трубы. Зрительная труба представляет собой прибор, предназначенный для рассматривания удаленных предметов. Как и микроскоп, она состоит из объектива и окуляра, которые могут быть расположены друг относительно друга двумя способами. Соответственно существуют зрительные трубы двух типов.

Зрительная труба Галилея (рис. 3.1.20) состоит из собирающего объектива L1 и рассеивающего окуляра L2. Задние фокусы объектива и окуляра совмещены, поэтому длина трубы меньше фокусного расстояния объектива. Труба Галилея дает прямое изображение А'В' наблюдаемого предмета АВ.

 

Рис. 3.1.20

Зрительная труба Кеплера содержит собирающие объектив L1 и окуляр L2 (рис. 3.1.21). В телескопической системе Кеплера задний фокус объектива совмещен с передним фокусом окуляра. Изображение удаленного предмета, даваемое объективом, лежит вблизи задней фокальной плоскости объектива. Это изображение рассматривается через окуляр, как через лупу. Труба Кеплера дает перевернутое изображение предметов. Для наблюдения предметов в прямом виде в трубу вводится оборачивающая система.

 

Рис. 3.1.21

Примерами использования этих труб могут служить театральный бинокль (труба Галилея) и призменный бинокль (труба Кеплера).

Увеличение зрительной трубы равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра: . Зрительная труба увеличивает размеры изображения удаленного предмета на сетчатке глаза, действуя так, как если бы предмет приблизился к глазу. Это позволяет лучше различать детали предмета. Разрешающая способность зрительной трубы, как и любой другой оптической системы, ограничена волновой природой света.

Телескоп. Зрительные трубы, предназначенные для наблюдения небесных тел, называются телескопами. Телескоп, в котором объектив представляет собой собирающую оптическую систему, выполненную из линз, называется рефрактором. Если роль объектива играют сферическое или параболическое зеркало, то телескоп называется рефлектором.

Хорошими оптическими качествами в сочетании с относительной простотой изготовления обладают менисковые телескопы, изобретенные советским оптотехником . В этих телескопах (рис. 3.1.22) роль объектива выполняет сферическое (вместо гораздо более сложного в изготовлении параболического) зеркало в сочетании с выпукло-вогнутой линзой (мениском).

Такая линза, как и зеркало, является ахроматической, т. е. в ней сведена к минимуму зависимость показателя преломления от длины волны. Другие погрешности, присущие и сферическому зеркалу и мениску, имеют у них противоположные знаки, вследствие чего почти полностью устраняются.

 

Рис. 3.1.22

Лучи, идущие от предмета, пройдя через мениск М, отражаются от сферического зеркала S1 и падают на алюминированный участок мениска S2 , представляющий собой выпуклое зеркало. Отразившись от S2, лучи попадают в окуляр. Поскольку лучи несколько раз проходят в приборе путь туда и обратно, телескопы Максутова отличаются малыми размерами и весом. Системы Максутова применяются для наблюдения как небесных светил, так и земных объектов.

Поскольку небесные тела удалены от Земли на очень большие расстояния, то свет от них идет практически параллельным пучком. Изображение, даваемое сферическим (или параболическим) зеркалом, рассматривают через окуляр, как через лупу. Увеличение телескопа, как и любой зрительной трубы, равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра.

Звезды находятся от нас так далеко, что при наблюдении их даже в самые большие телескопы не удается различить на них детали. Польза от применения телескопа заключается в том, что по сравнению со зрачком глаза поперечное сечение зеркала схватывает гораздо больше света, чем это может сделать невооруженный глаз. Поэтому в телескоп можно наблюдать такие слабые звезды, которые невооруженным глазом не могут быть замечены.

Телескоп дает изображения звезд в виде точек, но он «раздвигает» эти точки, что позволяет наблюдать звезды, которые невооруженному глазу кажутся одной точкой.

Пример 6. Луна видна невооруженным глазом под углом . Под каким углом она видна в телескоп, если фокусное расстояние объектива , а фокусное расстояние окуляра ?

Решение. Увеличение телескопа , где – фокусные расстояния объектива и окуляра. Телескоп как бы приближает небесное тело к глазу, увеличивая угол зрения. Таким образом, угол зрения через телескоп станет равным j'=j (f1/f2). Подставляя данные задачи, получаем: j'=10º20'.

3.2. Волновые процессы

3.2.1. Основные определения

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью . Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной.

Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Распространяясь от источника, волновой процесс охватывает все новые и новые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени , называется волновым фронтом. Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Волновых поверхностей существует бесконечное множество (их можно провести через каждую точку, вовлеченную в волновой процесс), в то время как волновой фронт в каждый момент времени один. Волновые поверхности неподвижны, волновой фронт все время перемещается.

В простейших случаях волновые поверхности имеют форму плоскости или сферы (соответственно, волна в этих случаях называется либо плоской, либо сферической). В плоской волне волновые поверхности – множество параллельных друг другу плоскостей, в сферической волне – множество концентрических сфер.

Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси , кривая зависимости смещения точек из положения равновесия от координаты выглядит, как на рис. 3.2.1.