Физика - Каплун С. В. - Страница 48

Другая распространенная конструкция дальномера устроена так: у одного изображения будто срезана верхняя половина, а у другого – нижняя.

Подгоняя две части изображения таким образом, чтобы они давали одно целое, наблюдатель определяет расстояние до предмета.

Рассказывая о зеркалах, нельзя не сказать об их особой роли в астрономии. Представить себе исследования звездного неба, планет и Солнца без телескопов просто невозможно! Ранее мы уже упоминали о первых оптических телескопах, которые состояли только из линз. Изобретение Ньютоном телескопа-рефлектора («рефлект» – отражать), в состав которого входит зеркало, значительно улучшило качество изображений, которые давал телескоп.

Объектив одного из самых больших рефлекторов, установленный на горе Маунт Паломар в Калифорнии, является параболическим зеркалом диаметром пять метров. Такое зеркало может вобрать в 700 000 раз больше света, чем человеческий глаз.

Еще один телескоп-рефлектор с зеркалом, диаметр которого составляет шесть метров, был установлен в СССР на Кавказе в 1975 г.

Наибольшими современными оптическими телескопами являются два идентичных телескопа Кека, расположенных рядом на вершине Мауна-Кеа, на Гавайях. Каждый из них имеет рефлектор диаметром 10 метров, состоящий из 36 шестиугольных элементов. Они с самого начала предназначались для совместной работы.

«Очень большой телескоп» (на английском – аббревиатура VLT), который находится в Чили, представляет собой конструкцию из четырех зеркал диаметром 8,2 м, образующих единый телескоп с 16,4-метровым рефлектором.

Кто сломал свет?

Мы уже упоминали о том, что, когда в процессе распространения свет переходит из одного вещества в другое, происходит его отражение и преломление.

Явление преломления очень легко наблюдать, опустив в стакан с водой ложку или какую-то трубочку.

Конечно, этот и подобные ему эффекты люди наблюдали давно и поэтому старались их объяснить. Уже было отмечено, что в XVII в. поистине осуществилась первая революция в оптике. Именно тогда появились телескоп и микроскоп, были изобретены рецептуры варки стекла, резко повысилось мастерство шлифовальщиков, и открылась возможность контроля формы обрабатываемых поверхностей. Однако настоящий научный аппарат для расчета оптических систем мог быть создан только на основе точного формулирования закона преломления света. Его открытие по праву принадлежит голландцу В. Снеллиусу и французу Р. Декарту.

Виллеброрд Снеллиус (1580–1626) – голландский (датский) ученый. Родился в Лейдене. В 1608 г. он получил степень магистра в Лейденском университете, там, в последствии, и работал (с 1615 г. – профессор). Его научные труды посвящены математике, оптике, астрономии.

В 1621 г. Снеллиус экспериментально вывел точный закон, связывающий угол наклона светового луча, падающего на поверхность, с углом, на который световой пучок, прошедший через эту поверхность, отклоняется или преломляется. До него были известны таблицы Кирхера для углов падения и соответствующих им углов преломления из воздуха в воду и из масла в стекло. Снеллиус впервые связал между собой синусы этих углов. К сожалению, ученый не опубликовал свой труд, и закон, носящий его имя, был обнародован лишь в 1637 г. благодаря Рене Декарту, который открыл этот закон независимо от Снеллиуса.

Явление преломления света

Еще до открытия этого закона явление преломления света применялось во врачебной практике, уже в XШ в. врачи рекомендовали для улучшения зрения носить очки. Интересно, что не все считали целесообразным пользоваться очками. Существовала даже такая мысль: «Основная цель зрения – знать правду, однако линзы для очков дают возможность видеть предметы большими или меньшими, чем они есть на самом деле, а иной раз – перевернутыми, деформированными и ложными, следовательно, они не дают возможности видеть действительность…»

Во времена Роджера Бэкона (1214–1294) – изобретателя очков – некоторые даже считали, что очки – это творение дьявола. Несмотря на это, великий Леонардо да Винчи (1452–1519) в своем трактате «Атлантический кодекс» давал объяснения действию зеркал, линз и очков с научной, а не мистической точки зрения.

Когда в 1666 г. Ньютон исследовал прохождение света через стеклянную призму, он доказал, что свет не только преломляется, но и как бы распадается на прекрасные цвета – полученную картину ученый назвал spectrum (спектр). Так было открыто явление дисперсии.

Виллеброрд Снеллиус

Но не будем касаться эффектов, связанных с дисперсией, – пока ограничимся разговором о преломлении света в призмах, линзах и других прозрачных телах.

Когда свет падает на границу раздела двух прозрачных веществ, чаще всего его направление меняется – физики говорят, что угол преломления луча отличается от угла его падения. Если свет проходит, например, из воздуха через стеклянную пластину или призму, угол преломления становится меньше угла падения.

Явление преломления света можно наблюдать, стоя на берегу реки. Нам кажется, что дно реки поднято вверх (особенно это заметно, если на дне лежат какие-то камни). На самом деле, конечно, это не так. Дело в том, что свет, идущий от дна и попадающий нам в глаза, преломляется. Однако наши глаза воспринимают этот свет так, что он исходит из точек, находящихся на продолжении световых лучей, которые попали в глаза. То есть в действительности глаза видят мнимое изображение дна.

Можно смоделировать этот эффект с помощью известного опыта с чашкой и монетой. Сначала положите на дно непрозрачной чашки монету и сядьте у стола, на котором стоит чашка, так, чтобы монеты не было видно (для этого следует понемногу отодвигать чашку). Затем осторожно налейте воды в эту чашку: вы заметите, что монета будто всплывает со дна, поднимается!

Явление преломления света лежит в основе действия линз. (Кстати, само слово линза происходит от итальянского «чечевица», потому что линзы по форме действительно похожи на бобы.)

Ход лучей в различных линзах

В линзах происходит отклонение световых лучей от первоначального их направления. В зависимости от формы линз их воздействие на световые пучки может быть различным: собирающее и рассеивающее. Такое действие легко наблюдать, если на разные линзы направить параллельные пучки света.

Схематическое изображение прохождения лучей света через стеклянную призму

Преломление света в линзах применяется в различных приборах. Здесь нельзя не вспомнить телескопы и микроскопы, фотоаппараты и различные проекционные аппараты (например, киноаппарат). Но для нас еще важно, что явление преломления света происходит также и в нашем организме – имеются в виду наши глаза.

Важную роль для нашего зрения играет так называемый хрусталик, имеющий форму линзы. Но не только он! Самое большое преломление происходит в так называемом стекловидном теле, являющимся основной частью нашего зрительного аппарата.

Преломление света играет важную роль и в естественных оптических явлениях, которые мы можем наблюдать. Например, мираж – преломление (рефракция) световых лучей в атмосфере Земли, о чем пойдет речь ниже.

Некоторые особенности зрения