Зрительная труба (телескоп-рефрактор) предназначена для проведения наблюдений за удаленными предметами. Труба состоит из 2 -х линз: объектива и окуляра.

Определение 1

Объектив - это собирающая линза с большим фокусным расстоянием.

Определение 2

Окуляр - это линза с малым фокусным расстоянием.

В качестве окуляра используются собирающие или рассеивающие линзы.

Компьютерная модель зрительной трубы

С помощью компьютерной программы можно составить модель, демонстрирующую работу зрительной трубы Кеплера из 2 -х линз. Телескоп предназначен для проведения астрономических наблюдений. Поскольку прибор показывает перевернутое изображение, то это неудобно для наземных наблюдений. Программа настроена так, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечное расстояние. Потому в зрительной трубе выполняется телескопический ход лучей, то есть параллельный пучок лучей от удаленной точки, который входит в объектив под углом ψ . Выходит из окуляра точно также параллельным пучком, однако по отношению к оптической оси уже под другим углом φ .

Угловое увеличение

Определение 3

Угловое увеличение зрительной трубы - это отношение углов ψ и φ , которое выражается формулой γ = φ ψ .

Следующая формула показывает угловое увеличение зрительной трубы через фокусное расстояние объектива F 1 и окуляра F 2:

γ = - F 1 F 2 .

Отрицательный знак, который стоит в формуле углового увеличения перед объективом F 1 означает, что изображение перевернуто.

При желании можно менять фокусные расстояния F 1 и F 2 объектива и окуляра и угол ψ . На экране прибора указываются значения угла φ и углового увеличения γ .

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Не слишком удаленные предметы?

Допустим, что мы хотим хорошенько разглядеть какой-то относительно близко расположенный предмет. С помощью трубы Кеплера это вполне возможно. В этом случае изображение, даваемое объективом, получится немного дальше задней фокальной плоскости объектива. А окуляр следует расположить так, чтобы это изображение оказалось в передней фокальной плоскости окуляра (рис. 17.9) (если мы хотим вести наблюдения, не напрягая зрения).

Задача 17.1. Труба Кеплера установлена на бесконечность. После того как окуляр этой трубы отодвинули от объектива на расстояние Dl = 0,50 см, через трубу стали ясно видны предметы, расположенные на расстоянии d . Определить это расстояние, если фокусное расстояние объектива F 1 = 50,00 см.

того как объектив передвинули, это расстояние стало равно

f = F 1 + Dl = 50,00 см + 0,50 см = 50,50 см.

Запишем формулу линзы для объектива:

Ответ : d » 51 м.

СТОП! Решите самостоятельно: В4, С4.

Труба Галилея

Первая зрительная труба была сконструирована все-таки не Кеплером, а итальянским ученым, физиком, механиком и астрономом Галилео Галилеем (1564–1642) в 1609 г. В трубе Галилея в отличие от трубы Кеплера окуляр представляет собой не собирающую, а рассеивающую линзу, поэтому и ход лучей в ней более сложный (рис. 17.10).

Лучи, идущие от предмета АВ , проходят через объектив – собирающую линзу О 1 , после чего они образуют сходящиеся пучки лучей. Если предмет АВ – бесконечно удаленный, то его действительное изображение ab должно было бы получиться в фокальной плоскости объектива. Причем это изображение получилось бы уменьшенным и перевернутым. Но на пути сходящихся пучков стоит окуляр – рассеивающая линза О 2 , для которой изображение ab является мнимым источником. Окуляр превращает сходящийся пучок лучей в расходящийся и создает мнимое прямое изображение А ¢В ¢.

Рис. 17.10

Угол зрения b, под которым мы видим изображение А 1 В 1 , явно больше угла зрения a, под которым виден предмет АВ невооруженным глазом.

Читатель : Как-то уж очень мудрёно… А как тут подсчитать угловое увеличение трубы?

Рис. 17.11

Объектив дает действительное изображение А 1 В 1 в фокальной плоскости. Теперь вспомним про окуляр – рассеивающую линзу, для которой изображение А 1 В 1 является мнимым источником.

Построим изображение этого мнимого источника (рис. 17.12).

1. Проведем луч В 1 О через оптический центр линзы – этот луч не преломляется.

Рис. 17.12

2. Проведем из точки В 1 луч В 1 С , параллельный главной оптической оси. До пересечения с линзой (участок CD ) – это вполне реальный луч, а на участке DВ 1 – это чисто «умственная» линия – до точки В 1 в реальности луч CD не доходит! Он преломляется так, что продолжение преломленного луча проходит через главный передний фокус рассеивающей линзы – точку F 2 .

Пересечение луча 1 с продолжением луча 2 образуют точку В 2 – мнимое изображение мнимого источника В 1 . Опуская из точки В 2 перпендикуляр на главную оптическую ось, получим точку А 2 .

Теперь заметим, что угол, под которым из окуляра видно изображение А 2 В 2 – это угол А 2 ОВ 2 = b. Из DА 1 ОВ 1 угол . Величину |d | можно найти из формулы линзы для окуляра: здесь мнимый источник дает мнимое изображение в рассеивающей линзе, поэтому формула линзы имеет вид:

.

Если мы хотим, чтобы наблюдение можно было вести без напряжения глаза, мнимое изображение А 2 В 2 надо «отправить» на бесконечность: | f | ® ¥. Тогда из окуляра будут выходить параллельные пучки лучей. А мнимый источник А 1 В 1 для этого должен оказаться в задней фокальной плоскости рассеивающей линзы. В самом деле, при | f | ® ¥

.

Этот «предельный» случай схематически изображен на рис. 17.13.

Из DА 1 О 1 В 1

h 1 = F 1 a, (1)

Из DА 1 О 2 В 1

h 1 = |F 1 |b, (2)

Приравняем правые части равенств (1) и (2), получим

.

Итак, мы получили угловое увеличение трубы Галилея

Как видим, формула очень похожа на соответствующую формулу (17.2) для трубы Кеплера.

Длина трубы Галилея, как видно из рис. 17.13, равна

l = F 1 – |F 2 |. (17.14)

Задача 17.2. Объективом театрального бинокля служит собирающая линза с фокусным расстоянием F 1 = 8,00 см, а окуляром – рассеивающая линза с фокусным рас­стоянием F 2 = –4,00 см. Чему равно расстояние между объективом и окуляром, если изображение рассматри­вается глазом с расстояния наилучшего зрения? На сколько нужно переместить окуляр для того, чтобы изо­бражение можно было рассматривать глазом, аккомо­дированным на бесконечность?

Это изображение играет по отношению к окуляру роль мнимого источника, находя­щегося на расстоянии а за плоскостью окуляра. Мнимое изображение S 2 , давае­мое окуляром, находится на расстоянии d 0 перед плоскостью окуляра,где d 0 – расстояние наилучшего зрения нормального глаза.

Запишем формулу линзы для окуляра:

Расстояние между объективом и окуляром, как видно из рис. 17.14, равно

l = F 1 – a = 8,00 – 4,76 » 3,24 см.

В том случае, когда глаз аккомодирован на бесконечность, длина трубы по формуле (17.4) равна

l 1 = F 1 – |F 2 | = 8,00 – 4,00 » 4,00 см.

Следовательно, смещение окуляра составляет

Dl = l – l 1 = 4,76 – 4,00 » 0,76 см.

Ответ : l » 3,24 см; Dl » 0,76 см.

СТОП! Решите самостоятельно: В6, С5, С6.

Читатель : А может ли труба Галилея дать изображение на экране?

Рис. 17.15

Мы знаем, что рассеивающая линза может дать действительное изображение только в одном случае: если мнимый источник находится за линзой перед задним фокусом (рис. 17.15).

Задача 17.3. Объектив трубы Галилея дает в фокальной плоскости действительное изображение Солнца. При каком расстоянии между объективом и окуляром можно получить на экране изображение Солнца с диаметром, в три раза бóльшим, чем у действительного изображения, которое получилось бы без окуляра. Фокусное расстояние объектива F 1 = 100 см, окуляра – F 2 = –15 см.

Рассеивающая линза создает на экране действительное изображение этого мнимого источника – отрезок А 2 В 2 . На рисунке R 1 – радиус действительного изображения Солнца на экране, а R – радиус действительного изображения Солнца, созданного только объективом (при отсутствии окуляра).

Из подобия DА 1 ОВ 1 и DА 2 ОВ 2 получим:

.

Запишем формулу линзы для окуляра, при этом учтем, что d < 0 – источник мнимый, f > 0 – изображение действительное:

|d | = 10 см.

Тогда из рис. 17.16 находим искомое расстояние l между окуляром и объективом:

l = F 1 – |d | = 100 – 10 = 90 cм.

Ответ : l = 90 см.

СТОП! Решите самостоятельно: С7, С8.

В п. 71 отмечалось, что зрительная труба Галилея состоит (рис. 178) из положительного объектива и отрицательного окуляра и поэтому дает прямое изображение наблюдаемых предметов. Промежуточное изображение, получающееся в совмещенных фокальных плоскостях, в отлнчне от изображения в трубе Кеплера, будет мнимым, поэтому визирная сетка отсутствует.

Рассмотрим формулу (350) применительно к трубе Галилея. Для тонкого окуляра можно считать, что тогда Эта формула легко преобразуется к следующему виду:

Как видим, удаление входного зрачка в трубе Галилея положительное, т. е. входной зрачок мнимый и находится он далеко справа за глазом наблюдателя.

Положение и размеры апертурной диафрагмы и выходного зрачка в трубе Галилея определяет зрачок глаза наблюдателя. Поле в трубе Галилея ограничивается не полевой диафрагмой (она формально отсутствует), а виньетирующей диафрагмой, роль которой выполняет оправа объектива. В качестве объектива чаще всего используют двухлннзовую конструкцию, которая допускает иметь относительное отверстие и угловое поле не более Однако для обеспечения таких угловых полей при значительном удалении входного зрачка объективы должны иметь большие диаметры. В качестве окуляра обычно применяют одиночную отрицательную линзу или двухлинзовый отрицательный компонент, которые обеспечивают угловое поле не более при условии компенсации полевых аберраций объективом.

Рис. 178. Расчетная схема зрительной трубы Галилея

Рис. 179. Зависимость углового поля от видимого увеличения в зрительных трубах Галилея

Таким образом, в трубе Галилея трудно получить большое увеличение (обычно оно не превышает чаще Зависимость угла от увеличения для труб Галилея показана на рис. 179.

Таким образом, отметим достоинства зрительной трубы Галилея: прямое изображение; простота конструкции; длина трубы короче на два фокусных расстояния окуляра по сравнению с длиной подобной трубы Кеплера.

Однако нельзя забывать и недостатки: небольшие поля и увеличение; отсутствие действительного изображения и, следовательно, невозможность визирования и измерений. Расчет зрительной трубы Галилея выполним по формулам, полученным для расчета трубы Кеплера.

1. Фокусные расстояния объектива и окуляра:

2. Диаметр входного зрачка

Любознательность и тяга к совершению новых открытий великого учёного Г. Галилея подарила миру замечательное изобретение, без которого невозможно представить себе современную астрономию — это телескоп . Продолжая исследования голландских учёных, итальянский изобретатель добился значительного увеличения масштаба телескопа за очень короткий срок — произошло это буквально за несколько недель.

Зрительная труба Галилея напоминала современные образцы лишь отдалённо — это была простая палка из свинца, на концах которой профессор поместил двояковыпуклую и двояковогнутую линзы.

Важной особенностью и главным отличием творения Галилея от существовавших ранее зрительных труб было хорошее качество изображения, полученное за счёт качественной шлифовки оптических линз - всеми процессами профессор занимался лично, не доверял тонкую работу никому. Трудолюбие и целеустремлённость учёного принесли свои плоды, хотя для достижения достойного результата пришлось проделать очень много кропотливой работы - из 300 линз нужными свойствами и качеством обладали лишь несколько вариантов.

Сохранившиеся до наших дней образцы у многих экспертов вызывают восхищение - даже по современным меркам, качество оптики является превосходным, и это при учёте того, что линзам отроду уже несколько веков.

Несмотря на предрассудки, царившие во времена Средневековья и склонность считать прогрессивные идеи «происками дьявола», зрительная труба обрела заслуженную популярность по всей Европе.

Усовершенствованное изобретение позволяло получить тридцатипятикратное увеличение, немыслимое для времён жизни Галилео. С помощью своей зрительной трубы, Галилей совершил массу астрономических открытий, что позволило открыть дорогу современной науке и вызвать энтузиазм и жажду исследований у множества пытливых и любознательных умов.

Оптическая система, придуманная Галилеем, обладала рядом недостатков - в частности, она была подвержена хроматической аберрации, однако последующие усовершенствования, проведённые учёными, позволили добиться минимизации этого эффекта. Стоит отметить, что при строительстве знаменитой Парижской обсерватории использовались телескопы, оборудованные как раз оптической системой Галилея.

Зрительная или подзорная труба Галилея обладает небольшим углом обзора - это можно считать главным её недостатком. Подобная оптическая система в настоящее время применяется в театральных биноклях, представляющих собой, по сути, две зрительных трубы, соединённые вместе.

Современные театральные бинокли с системой центральной внутренней фокусировки обычно предлагают 2.5-4 кратное увеличение, достаточное для наблюдения не только за театральными постановками, но и спортивными и концертными мероприятиями, подходят для экскурсионных поездок, связанных с детальным осмотром достопримечательностей.

Небольшой размер и изящный дизайн современных театральных биноклей делают их не только удобным оптическим инструментом, но и оригинальным аксессуаром.

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ С ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ: ТРУБА КЕПЛЕРА И ТРУБА ГАЛИЛЕЯ

Целью данной работы является изучение устройства двух оптических приборов – трубы Кеплера и трубы Галилея и измерение их увеличений.

Труба Кеплера представляет собой простейшую телескопическую систему. Она состоит из двух положительных (собирающих) линз, установленных так, что попадающий на первую линзу параллельный пучок выходит из второй линзы также параллельным (рис.1).

Линза 1 называется объективом, линза 2 – окуляром. Задний фокус объектива совпадает с передним фокусом окуляра. Такой ход лучей называется телескопическим, а оптическая система будет афокальной.

На рис.2 представлен ход лучей из точки объекта, лежащей вне оси.

Отрезок АF ок является действительным перевернутым изображением бесконечно удаленного предмета. Таким образом, труба Кеплера дает перевернутое изображение. Окуляр можно установить так, чтобы он действовал как лупа, создавая мнимое увеличенное изображение объекта на расстоянии наилучшего зрения D (см. рис.3).

Для определения увеличения трубы Кеплера рассмотрим рис.4.

Пусть лучи от бесконечно удаленного объекта падают на объектив параллельным пучком под углом -u к оптической оси, а из окуляра выходят под углом u′. Увеличение равно отношению размера изображения к размеру объекта, а это отношение равно отношению тангенсов соответствующих углов зрения. Поэтому увеличение трубы Кеплера равно:

γ = - tgu′/ tgu (1)

Отрицательный знак увеличения означает, что труба Кеплера создает перевернутое изображение. Используя геометрические соотношения (подобие треугольников), очевидные из рис.4, можно вывести соотношение:

γ = - fоб′/fок′ = -d/d′ , (2)

где d – диаметр оправы объектива, d′ - диаметр действительного изображения оправы объектива, создаваемого окуляром.

Зрительная труба Галилея представлена схематично на рис.5.

Окуляром является отрицательная (рассеивающая) линза 2. Фокусы объектива 1 и окуляра 2 совпадают в одной точке, поэтому ход лучей здесь также телескопический. Расстояние между объективом и окуляром равно разности их фокусных расстояний. В отличие от трубы Кеплера, изображение оправы объектива, создаваемое окуляром, будет мнимым. Рассматривая ход лучей из точки объекта, лежащей вне оси (рис.6), заметим, что труба Галилея создает прямое (не перевернутое) изображение объекта.

Используя геометрические соотношения так же, как это было сделано выше для трубы Кеплера, можно рассчитать увеличение трубы Галилея. Если лучи от бесконечно удаленного объекта падают на объектив параллельным пучком под углом -u к оптической оси, а из окуляра выходят под углом u′, то увеличение равно:

γ = tgu′/ tgu (3)

Также можно показать, что

γ = fоб′/fок′, (4)

Положительный знак увеличения показывает, что изображение, наблюдаемое в трубу Галилея, прямое (не перевернутое).

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Приборы и материалы: оптическая скамья с установленными в рейтерах следующими оптическими элементами: осветители (полупроводниковый лазер и лампа накаливания), бипризма, две положительные линзы, отрицательная линза, экран.

ЗАДАНИЕ 1. Измерение увеличения трубы Кеплера .

1. Установите на оптическую скамью полупроводниковый лазер и бипризму. Луч лазера должен попадать на ребро бипризмы. Тогда из бипризмы выйдут два луча, идущие параллельно. Труба Кеплера служит для наблюдения очень удаленных предметов, поэтому на её вход поступают параллельные пучки лучей. Аналогом такого параллельного пучка будут служить два луча, выходящие из бипризмы параллельно друг другу. Измерьте и запишите расстояние d между этими лучами.

2. Далее соберите трубу Кеплера, используя в качестве объектива положительную линзу с большим фокусом, а в качестве окуляра – положительную линзу с меньшим фокусом. Зарисуйте получившуюся оптическую схему. Из окуляра должны выйти два луча, параллельные друг другу. Измерьте и запишите расстояние d" между ними.

3. Рассчитайте увеличение трубы Кеплера как отношение расстояний d и d", учитывая знак увеличения. Вычислите погрешность измерений и запишите результат с погрешностью.

4. Можно измерить увеличение и другим способом. Для этого надо осветить объектив другим источником света – лампой накаливания и получить действительное изображение оправы объектива позади окуляра. Измерьте диаметр оправы объектива d и диаметр его изображения d". Вычислите увеличение и запишите его с учетом погрешности измерений.

5. Рассчитайте увеличение по формуле (2) как отношение фокусных расстояний объектива и окуляра. Сравните с увеличением, рассчитанным в п.3 и в п.4.

ЗАДАНИЕ 2. Измерение увеличения трубы Галилея .

1. Установите на оптическую скамью полупроводниковый лазер и бипризму. Из бипризмы должны выйти два параллельных луча. Измерьте и запишите расстояние d между ними.

2. Далее соберите трубу Галилея, используя в качестве объектива положительную линзу, а в качестве окуляра -- отрицательную. Зарисуйте получившуюся оптическую схему. Из окуляра должны выйти два луча, параллельные друг другу. Измерьте и запишите расстояние d" между ними.

3. Рассчитайте увеличение трубы Галилея как отношение расстояний d и d". Вычислите погрешность измерений и запишите результат с погрешностью.

4. Рассчитайте увеличение по формуле (4) как отношение фокусных расстояний объектива окуляра. Сравните с увеличением, рассчитанным в п.3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое телескопический ход лучей?

2. Чем отличается труба Кеплера от трубы Галилея?

3. Какие оптические системы называются афокальными?