Łuczyńsk Jakub kl. IV LTB

TEMAT : „ BIEG PROMIENI W PRZYRZĄDACH OPTYCZNYCH - LUPA , LUNETA , MIKROSKOP , OKO. OKO - WADY I ICH KOREKCJA ZA POMOCĄ PRZYRZĄDÓW OPTYCZNYCH ”

1. Oko

W oku powstają obrazy rzeczywiste przedmiotów. Jak wiemy ma ono kształt zbliżony do kuli o średnicy około 25 mm. Ścianki oka stanowią dosyć twarde błony : w przedniej części przezroczysta rogówka , o średnicy ok. 10 mm , dalej mało przezroczysta twardówka („ białko oka ”). Wewnątrz w przedniej części oka znajduje się soczewka , której promienie krzywizny mogą być regulowane odpowiednimi mięśniami. Całe wnętrze oka wypełnione jest cieczą o współczynniku załamania bliskim współczynnikowi wody (n=1,33). Współczynnik załamania soczewki jest nieco większy (bo inaczej , w ogóle by nie mogła działać). Przed soczewką znajduje się kołowa przesłona o regulowanej wielkości otworu , czyli tęczówka (barwa tęczówki może być różna : od jasnoniebieskiej do ciemnobrązowej). Wewnętrzna część oka pokryta jest błoną , zwaną siatkówką. W siatkówce znajdują się komórki fotoczułe - odpowiednik kliszy w aparacie fotograficznym.

Układ optyczny oka wytwarza na siatkówce obraz rzeczywisty , pomniejszony i odwrócony. Wbrew temu , co się zwykle uważa , największe znaczenie przy tworzeniu obrazów ma przednia powierzchna rogówki. Soczewka ma znaczenie pomocnicze i służy do nastawiania obrazu na ostrość. Kiedy patrzymy blisko , soczewka jest prawie kulista , kiedy patrzymy daleko - znacznie bardziej spłaszczona. Obraz ma dobrą jakość jedynie w centralnej części siatkówki , na jej częściach bocznych jest bardzo nieostry i zniekształcony. Dlatego człowiek chcąc dobrze widzieć kieruje rogówkę w stronę interesującego go przedmiotu.

Typowe wady wzroku wynikają z wad ukladu optycznego. Ludzie z wadami dalekowzroczności (nadwzroczności) mają zbyt mało skupiający układ optyczny. Używają więc okularów ze szkłami skupiającymi , ludzie z wadą krótkowzroczności mają za bardzo skupiający układ optyczny oka. Używają więc okularów ze szkłami rozproszającymi.

Wszystkie kręgowce oraz niektóre mięczaki (ośmiornice) mają oczy o budowie bardzo zbliżonej do człowieka. Są stworzenia morskie , które do wytwarzania obrazu nie stosują soczewek , ale zwierciadła. Owady zaś w ogóle nie wytwarzają w oku obrazu.

2. Lupa.

Omówiliśmy uklad optyczny , w którym powstają obrazy rzeczywiste przedmiotów : na siatkówce oka. Soczewki skupiającej używamy jednak również jako szkła powiększającego (lupy). Umieszczamy wtedy przedmiot blisko soczewki i patrząc przez nią widzimy po jej drugiej stronie nieodwrócony i powiększony obraz przedmiotu. Mówimy , że wtedy soczewka wytwarza obraz pozorny , nie można bowiem umieścić ekranu tak , aby na nim ten obraz się znalazł.

Soczewka skupiająca wytwarza obraz pozorny , jeżeli przedmiot znajdyje się między nią a ogniskiem (x<f). Przedstawia to rysunek 1. Narysowaliśmy tzy promienie :

1. Wybiegający z punktu A i biegnący przez środek soczewki (niezałamany).

2. Promień , który biegł równolegle do osi optycznej i po załamaniu przeszedł

przez prawe ognisko.

3. Promień , który biegł tak , jakby wychodził z ogniska. Po załamaniu jest on równoległy do osi optycznej.

Z rysunku widać , że promienie te nigdzie się nie przetną. Obserwatorowi będzie się natomiast wydawać , że wszystkie one wychodzą z punktu B. W tym punkcie przecinają się ich przedłużenia. Dlatego mówimy , że womawianym przepadku powstaje obraz pozorny. Widać z rysunku , że znajduje się on po tej samej stronie co przedmiot , jest powiększony i prosty (nieodwrócony).

Jeżeli x<f , x-f<0 , a więc y będzie ujemne. Wynika to zresztą z wykresu.

Zależność położenia obrazu y oraz powiększenia p od położenia przedmiotu x.

Ujemny znak y oznacza , że obraz jest po tej samej stronie soczewki , co przedmiot (pamiętamy , że y dodatnie oznacza , że obraz jest po innej stronie soczewki , niż przedmiot).

Jeżeli x<f , to p ma znak ujemny , ale wartość większą od jedności. Ujemny znak p oznacza , że obraz jest prosty (nieodwrócony). Widać więc , że wymienione wzory dobrze opisują i obecny przypadek , jeżeli tylko przyjąć odpowiednie umowy , dotyczące znaków.

Zwróćmy jeszcze uwagę , że gdy przedmiot zbliża się do soczewki (x → 0) , obraz też zbliża się do soczewki ( y → 0) , a powiększenie dąży do -1. Oznacza to , że obraz i przedmiot są takie same i w tym samym miejscu.

Przy przybliżonym rozwiązywaniu problemów tworzenia obrazów w soczewkach wygodnie jest posługiwać się nomogramem , przedstawionym na rysunku 3. Na osi poziomej odłożone są wartości x. Na osi pionowej - wartości y. Natomiast na osi ukośnej - w innej skali - wartości f. Interesujący nas problem rozwiązujemy mechanicznie , przykładając linijkę do monogramu . Jeżeli f=2 cm , a x=6 cm , to y=3 cm.

3. Mikroskop.

Trudno przecenić znaczenie mikroskopu w rozwoju nauki współczesnej. Wynalezienie tego przyrządu doprowadziło do odkrycia np. bakterii , a to skolei całkowicie zmieniło poglądy na przyczyny powstawania większości znanych chorób. Oczywiście mikroskopu używa się nie tylko w chemii , czy medycynie , posługują się nim stale fizycy , chemicy , czy ludzie zajmujący się stale technologią materiałową.

Schemat biegu promieni w prostym mikroskopie przedstawia rysunek 4. Piersza soczewka wytwarza obraz rzeczywisty , powiększony i odwrócony przedmiotu. Druga - obraz pozorny nieodwrócony i powiększony tego obrazu. Ostatecznie więc powstaje obraz pozorny , odwrócony i powiększony. Ten właśnie obraz oglądamy pod mikroskopem. W prawdziwym mikroskopie nie mamy dwóch soczewek , ale dwa układy soczewek. Pierwszy z nich - ten , który wytwarza obraz rzeczywisty , nazywamy obiektywem mikroskopu. Typowe obiektywy dają powiększenia 5- , 10- , 20- lub 50-krotne.

rys. 4 : Bieg promieni w mikroskopie.

Drugi układ soczewek , przez który ogląda się tamten obraz rzeczywisty , nazywamy okularem. Typowe okulary dają powiększenie 5- , 10- , i 20-krotne. Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu i powiększenia okularu.

Jeżeli chcemy wykonywać zdięcia fotograficzne , stosujemy mikroskop o nieco innej konstrukcji. Obiektyw wytwarza obraz powiększony przedmiotu , jak w zwykłym mikroskopie. Natomiast druga soczewka wytwarza na kliszy fotograficznej obraz rzeczywisty , powiększony i odwrócony obrazu pierwszego.

Podstawową cechą , określającą działanie mikroskopu jest jego zdolność rozdzielcza. Informuje nas ona , dla jakiej wielkości przedmiotów możliwe jest jeszcze rozróżnienie ich kształtu. Aby móc na to pytanie odpowiedzieć , musimy najpierw zastanowić się , na czym polega tworzenie obrazu w mikroskopie z punktu widzenia optyki falowej , a nie tylko geometrycznej.

Przypuśćmy , ze jakieś źródło punktowe wysyła falę świetlną. Jest to oczywiście fala rozbieżna. Część tej fali dociera do soczewki i załamuje się na obu jej powierzchniach. Powstaje w ten sposób wycinek fali zbieżnej , która skupia się w pewnym obszarze. Nie jest to nigdy obszar zupełnie punktowy , co wynika choćby ze skończonej wartości długości fali światła.

Pewne pojęcie o zdolności rozdzielczej mikroskopu dać nam może następujące uproszczone rozumowanie. Wyobraźmy sobie , że oglądamy pod mikroskopem nieprzezroczystą przesłonę , w której wykonano otwory małej wielkości w porównaniu z długością fali. Jak daleko muszą być one od siebie , aby można było rozpoznać , że są to dwa otwory , a nie jeden.

Jeżeli w przesłonie byłby wykonany jeden otworek , następowałaby na nim oczywiście dyfrakcja światła. Za otworem , mielibyśmy do czynienia z falą kulistą , wychodzącą praktycznie z jednego punktu. Fala ta padałaby na obiektyw mikroskopu , który działałby w sposób podobny jak soczewka opisywana wcześniej.

eżeli otwory wykonane w przesłonie są dość daleko , sytuacja jest bardziej złorzona. Każdy z otworów staje się źródłem fali kulistej. Po prawej stronie powstaje więc struktura fali jak w doświadczeniu Younga. A zatem do obiektywu dociera zupełnie inna fala niż z jednego otworka. Mówiąc nieprecyzyjnie , ale obrazowo , obiektyw otrzymał informację , że obiekt , na którym zaszła dyfrakcja , to nie jest otwór pojedynczy. Jeżeli otwory znajdowałyby się w odleglości mniejszej od długości fali , po prawej stronie w ogóle nie będzie obszarów wygaszeń fali. A zatem fala docierająca do biektywu jest praktycznie taka sama , jak wtedy , gdy był tylko jeden otwór. Obiektyw nie wie , że były dwa otwory.

Niemożliwość rozróżnienia kształtu nie oznacza , że w ogóle nie można stwierdzić obecności obiektu. Jeżeli stosujemy mikroskop z jasnym polem widzenia dla światła przechodzącego przez badaną próbkę , to przedmioty o małych rozmiarach na jasnym tle są niewidoczne. Można jednak je zaobserwować stosując mikroskop o ciemnym polu widzenia , gdy światło oświtlające preparat nie wpada bezpośrednio do obiektywu.

Z punktu widzenia zastosowań mikroskopu podstawowe znaczenie ma pytanie : jakie największe powiększenie można uzyskać za pomocą mikroskopu?. Ściślej : dla jak małych przedmiotów będzie jeszcze można rozróżnić ich kształt?. Istnieje naturalna granica tej możliwości. Związana jest ona z długością fali , używanej w mikroskopie - a więc dla mikroskopu optycznego z długością fali światła widzialnego. Jeżeli przedniot ma rozmiary mniejsze od długości fali , to układ optyczny nie może odtworzyć jego kształtu. Wynika to stąd , że aby uzyskać większą zdolnośc rozdzielczą mikroskopu należałoby stosować promieniowanie o mniejszej długości fali od długości fali światła widzialnego - np. nadfiolet lub promienie Roentgene.

Trudności techniczne budowy mikroskopów tego rodzaju spowodowały , że dotąd nie miały one poważniejszego zastosowania. żanczniejsze powiększenia uzyskuje się obecnie najczęściej za pomocą mikroskopu elektronowego.

B

A

F

F

f 2f 3f 4f x

f 2f 3f 4f x

p

3

2

1

y

3f

2f

f

y

4

3

2

1

2

1

1 2 3 x

F2

F2

F1

F1

---