методички для заочников / Оптические приборы

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пятигорская государственная фармацевтическая академия»

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, С.В. Воронина, Н.Н. Семенова

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Методические указания для студентов 2 курса по дисциплинам С2.Б.2 - «Физика» (очная и заочная форма обучения) и

С3.В.ОД.3- «Физические основы технологических процессов и методов фармацевтического анализа» (очная и заочная форма обучения)

Пятигорск 2011

УДК 535.07:612.844.2(076.5)

ББК 22.34я73

К 14

Рецензент: к. ф.-м. н., доцент кафедры информатики и математики ГОУ ВПО Пятигорского филиала Российского государственного торгово-экономического университета Болгова Ю. А.

Казуб В.Т., Воронина С.В., Семенова Н.Н.

Оптические приборы. Глаз как оптическая система: методические указания к лабораторным работам по физике для студентов очного и заочного отделений/ В.Т. Казуб, С.В. Воронина, Н.Н. Семенова. – Пятигорск: Пятигорская ГФА, 2011. – 40 с.

Утверждено

на заседании ЭМС Пятигорской ГФА

протокол №______________________

«__» _______________________2011 г.

проф.__________ В.В. Гацан

Методические указания составлены в соответствии с программой по физике для студентов фармацевтических вузов и содержат теоретический материал по теме «Оптические приборы. Глаз как оптическая система».

Методические указания содержат список рекомендованной литературы.

УДК 535.07:612.844.2(076.5)

ББК 22.34я73

©Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2011

Оглавление
Введение.................................................................................................................	4
Тонкие линзы..........................................................................................................	4
Строение глаза......................................................................................................	10
Микроскоп, его основные части. Устройство микроскопа...............................	16
Методы микроскопии ..........................................................................................	19
Микроскоп биологический рабочий БИОЛАМ .................................................	22
Измерение размеров микроскопических объектов с помощью микроскопа...	23
Диоптриметр оптический ДО-3. Устройство и принцип действия..................	26
Оптическая схема диоптриметра ДО–3..............................................................	27
Измерение задней вершинной рефракции.........................................................	30
Измерение астигматических очковых линз........................................................	31
Схема обработки результатов прямых измерений.............................................	32
Лабораторная работа: Определение размеров малых объектов с помощью
микроскопа...............................................................................................................	34
Лабораторная работа: Определение оптической силы линз с помощью
диоптриметра оптического ДО-3 ...........................................................................	36
Литература............................................................................................................	39
Приложения..........................................................................................................	40

4

Введение

Длины световых волн, воспринимаемых глазом, очень малы. Можно счи-

тать, что свет распространяется вдоль некоторых линий, называемых лучами.

Раздел оптики, в котором пренебрегают конечностью длин волн и рассматри-

вают законы оптики на языке геометрии, называется геометрической оптикой.

Основу геометрической оптики образуют четыре закона: 1) закон прямолиней-

ного распространения света; 2) закон независимости световых лучей; 3) закон отражения света; 4) закон преломления света.

В середине XVII столетия французский математик Ферма установил принцип, из которого вытекают законы прямолинейного распространения, отра-

жения и преломления света. В формулировке самого Ферма принцип гласит, что свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время.

На законах геометрической оптики основано устройство и действие мно-

гих оптических приборов – фотоаппарата, проекционного аппарата, микроскопа и телескопа. Эти законы позволяют понять действие глаза как оптической сис-

темы.

Тонкие линзы

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, показатель преломления которого отличается от окружающей среды. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бы-

вают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще,

чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше (рис. 1).

Прямая, проходящая через центры кривизны O1 и O2 сферических поверх-

ностей, называется главной оптической осью линзы (рис. 2). В случае симмет-

5

ричных тонких линз можно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром лин-

зы O. Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собираю-

щей (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телеско-

пической (фокусное расстояние равно бесконечности). Для менисковых линз оп-

тический центр лежит вне линзы и находится с той стороны, где кривизна боль-

ше, то есть меньше радиус.

Рис. 1. Собирающие (a) и рассеивающие (b) линзы и их условные обозначения

6

Рис. 2. Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a) и

рассеивающей (b) линзах

Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от пер-

воначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр под углом к главной оптической оси, называются побочными оптическими осями.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рас-

сеивающих – мнимые.

Пучки лучей, параллельных одной из побочных оптических осей, также фокусируются после прохождения через линзу в точку F', которая расположена на пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф, то есть плоскостью перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через главный фокус

(рис. 2). Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F

называется фокусным расстоянием и обозначается буквой f.

Рис. 3. Собирающая линза с различными радиусами кривизны поверхностей

Фокусное расстояние линзы зависит от радиусов кривизны ее поверхно-

стей, показателя преломления вещества, из которого изготовлена линза, а также показателя преломления окружающей ее среды.

7

Рассмотрим двояковыпуклую линзу, с различными радиусами кривизны поверхностей R1 и R2 (рис. 3) и n показателем преломления вещества линзы (бу-

дем считать, что показатель преломления среды равен единице). Тогда имеет ме-

сто формула линзы:

.

(1)

Фокусное расстояние для такой линзы зависит от показателя преломле-

ния вещества линзы и радиусов кривизны поверхностей линзы:

Если линза двояковыпуклая с одинаковыми радиусами кривизны поверх-

ностей, то формулу (1) можно записать в виде:

.

(2)

Для плоско-выпуклой линзы один из радиусов превращается в бесконеч-

ность, а формула примет вид:

.

Величину D, обратную фокусному расстоянию, называют оптической си-

лой линзы:

(3)

Единицей измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоп-

трия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м: 1 дптр = м –1. Фор-

мулы (1) и (2) используется при изготовлении линз с заданной оптической силой.

Формула (1) для собирающей линзы может быть записана в виде:

(4)

Если линза рассеивающая, то расстояния f и b берут с отрицательным знаком, тогда:

. (5)

8

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов.

Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными и мнимыми,

увеличенными и уменьшенными. Действительные изображения всегда бывают перевернутые, а мнимые – прямые.

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стан-

дартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или од-

ной из побочных оптических осей (рис. 3, 4).

Рис. 3. Построение изображения в собирающей линзе

Рис. 4. Построение изображения в рассеивающей линзе

В зависимости от положения предмета по отношению к линзе изменяются линейные размеры изображения, но их отношение постоянно. Линейным уве-

личением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и

предмета (рис. 5):

9

.

(6)

Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета (действительное или мнимое), да-

ваемое первой линзой, служит предметом для второй линзы, которая дает второе изображение предмета. Это второе изображение также может быть действитель-

ным или мнимым.

Тонкие линзы обладают рядом недостатков, что не позволяет получать вы-

сококачественные изображения. Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями. Главные из них – сферическая и хро-

матическая аберрации.

Рис. 5. Линейное увеличение линзы

Рис. 6. Хроматическая аберрация в собирающей линзе

10

Сферическая аберрация проявляется в том, что в случае широких световых пучков лучи, далекие от оптической оси, пересекают ее не в фокусе. Формула тонкой линзы справедлива только для лучей, близких к оптической оси. Изобра-

жение удаленного точечного источника, создаваемое широким пучком лучей,

преломленных линзой, оказывается размытым. Хроматическая аберрация

(рис. 6) возникает вследствие того, что показатель преломления материала линзы зависит от длины волны света λ. Это свойство прозрачных сред называется дисперсией. Фокусное расстояние линзы оказывается различным для света с разными длинами волн, что приводит к окрашиванию изображения при исполь-

зовании немонохроматического света.

Поэтому в современных оптических приборах применяются не тонкие линзы, а сложные многолинзовые системы, в которых удается приближенно уст-

ранить различные аберрации.

Строение глаза

Глаз представляет сложную оптическую систему. Рассмотрим разрез глаз-

ного яблока и основные детали глаза (рис. 7). Глаз представляет собой шаровид-

ное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Склера и роговица обуславливают форму глаза, защища-

ют его и служат местом крепления глазодвигательных мышц. Диаметр всего глазного яблока около 22-24 мм, масса 7-8 г.