Преломление света

 

Рис 103 Преломление световых лучей при попадании из одной среды в другую

Луч света, переходя из одной прозрачной среды в другую, изменяет свое направление, или, как говорят, преломляется (рис. 103). При этом если луч света переходит из среды, слабее преломляющей, в среду, сильнее преломляющей, то он приближается к перпендикуляру, опущенному на границу среды в точке пересечения ее лучом Вода преломляет свет сильнее, чем воздух, поэтому всякий предмет, находящийся в воде, кажется расположенным выше, чем он есть на самом деле.

Воздух преломляет свет слабее воды, и луч АБ, выходя из воды, отклоняется от перпендикуляра ДБ. Если человек хочет попасть в рыбу, находящуюся под водой, он должен прицелиться не в рыбу, а ниже нее (рис 104).

Рис 104 Действительное место положения рыбы в воде и кажущееся человеческому глазу

Рис 105 Преломление лучей света трехгранной призмы

Рис 106 Двояковыпуклая линза

При нагревании плотность воздуха изменяется, а вместе с ней изменяется и его преломляющая сила, поэтому при прицеливании из ружья с нагретым стволом стрелок замечает, как контуры мишени начинают колебаться. Потоки поднимающегося нагретого воздуха все время изменяют его плотность и преломляющую силу.

Рис 107 Двояковогнутая

Такая же картина наблюдается в жаркую погоду при стрельбе низко над землей на дальние дистанции.

На свойствах света изменять свое направление при переходе из одной среды в другую построен ряд оптических приборов, в том числе и ружейный оптический прицел

Если стекло плоское и стороны его параллель-ны (рис. 103), луч света АБ, входя в стекло, преломляется и приближается к перпендикуляру ДБ. Направление луча в стекле будет БВ. Выходя из стекла, луч света отклонится от перпендикуляра на ту же величину, на какую он отклонился, входя в стекло, но в противоположную сторону и

таким образом примет свое прежнее направление ВГ. Если стороны стекла не параллельны, как это бывает в призме, то луч света, входя в стекло и выходя из него, отклонится оба раза в одну и ту же сторону и изменит свое направление, приблизившись к основанию призмы (рис 105). И чем больше преломляющий угол призмы, тем больше отклонится проходящий через нее луч

Собирательные линзы

Рассеивающие линзы

Рис 108 Разлчные линзы - собирательные и рассеивающие

В ружейных оптических прицелах употребляются обычно не призмы, а линзы Линзою называется стекло, ограниченное двумя сферическими поверхностями Иногда одна сторона линзы делается плоской Ход лучей в линзе легко понять, если представить себе линзу состоящей из большого числа призм (рис 106) Чем ближе к краям, тем больше преломляющий угол у призм, составляющих линзу Вследствие этого по краям линзы лучи преломляются сильнее, чем ближе к середине, тем преломление становится слабее, и, наконец, в середине линзы, на ее оптической оси, есть такая точка, которая совсем не преломляет проходящие через нее лучи. Точка эта называется оптическим центром линзы

Понятно также, что чем больше выпуклость линзы, тем сильнее она преломляет проходящие через нее лучи света.

В зависимости от сочетания сферических поверхностей получается шесть родов линз - двояковыпуклая, плосковыпуклая, выгнутовы-пуклая, двояковогнутая, плосковогнутая и вы-пукловогнутая (рис. 108).

Прямая, перпендикулярная к поверхностям, ограничивающим линзу, называется ее оптической осью.

Первые три рода линз можно рассматривать так, словно они состоят из ряда призм, повернутых основанием к оптической оси. Падающие на них лучи будут сближаться, отклоняясь к оптической оси. Такие линзы называются собирательными. Края их всегда тоньше, чем середина

Остальные три рода линз можно также рассматривать так, словно они состоят из ряда призм, но повернутых основанием от оптической оси. Разумеется, падающие на эти линзы лучи будут расходиться, удаляясь от оптической оси Такие линзы называются рассеивающими. Их края всегда толще середины Если на собирающую линзу направить пучок световых лучей, параллельных ее оптической оси, то они, преломившись у обеих поверхностей линзы, соберутся за ней в одной точке Точка эта лежит на оптической оси и называется фокусом линзы, а расстояние от фокуса до линзы называется фокусным расстоянием У всякой линзы имеются два фокуса, расположенных на равном расстоянии по обе ее стороны.

Плоскость, проведенная через фокус перпендикулярно к оптической оси, называется фокусной плоскостью Пучок световых лучей, выходящих из фокуса, пройдя через линзу, становится параллельным ее оптической оси. Пучок параллельных лучей света, составляющих с оптической осью небольшой угол, сходится после преломления в одной точке, лежащей в фокусной плоскости Мы уже знаем, что лучи, проходящие через оптический центр, не преломляются Свойство оптического центра пропускать лучи без преломления позволяет получить изображение любой светящейся точки с помощью построения хода только двух лучей. Пусть F светящаяся точка. Луч, идущий от нее параллельно оптической оси, после преломления пройдет через фокус.

Луч, идущий через оптический центр, не преломится. В месте пересечения этих двух лучей и будет находиться изображение точки.

Зрительное восприятие всякого предмета возможно потому, что из всех его точек исходят световые лучи. Предмет как бы состоит из бесчисленного множества светящихся точек, каждая из которых оставляет свой след в глазу. Из совокупности точек создается образ предмета. Изображение каждой точки может быть получено так, как указано на рисунках, и тогда получится изображение всего предмета.

В оптике различают три основных положения предмета по отношению к двояковыпуклой собирательной линзе.

Предмет А Б находится между линзой и фокусом (рис. 111). Луч, идущий от точки А параллельно оптической оси, после преломления пройдет через фокус. Луч, идущий через оптический центр линзы, не изменит своего направления. За линзой получаются два расходящихся луча.

Глаз, помещенный на пути расходящихся лучей, увидит точку А в месте воображаемого пересечения лучей, т. е. в А'. Точно так же может быть найдено изображение точки б. Глаз увидит прямое и увеличенное изображение предмета. Находиться оно будет с той же стороны линзы, где и предмет. Это изображение называется мнимым, так как только воображаемое пересечение лучей дает изображение предмета. Получить его на экране нельзя.

Чем ближе к фокусу находится предмет, тем больше его изображение. На способности собирательной двояковыпуклой линзы рассеивать лучи, падающие от предметов, находящихся в пределах фокусного расстояния, основано применение увеличительного стекла, или лупы.

Если предмет А Б находится дальше фокуса, но ближе двойного фокусного расстояния (рис. 112), то луч, идущий от точки А параллельно оптической оси, после преломления пройдет через фокус. Луч, идущий через оптический центр линзы, не изменит своего направления. За линзой получатся два сходящихся луча, пересекающихся за двойным фокусным расстоянием. Точка встречи лучей - А' даст изображение точки А. Так же может быть найдено изображение точки В. Изображение предмета получится с противоположной стороны линзы, за двойным фокусным расстоянием. Изображение это действительное - оно образовано действительно пересекающимися лучами, но обратное (так как верхняя часть предмета находится внизу) и увеличенное. Чем дальше предмет от фокуса, тем меньше его изображение.

Если предмет А Б находится за двойным фокусным расстоянием (рис. 113), то, сделав построение так же, как и в предыдущем случае, получим действительное, обратное и уменьшенное изображение предмета. Находиться оно будете противоположной стороны линзы, между фокусным и двойным фокусным расстоянием. Причем чем дальше предмет, тем ближе к фокусной плоскости будет получаться его изображение. Если предмет находится на весьма большом удалении, то от каждой точки его на линзу будут падать лучи практически параллельные; а параллельные лучи после преломления пересекаются в фокусной плоскости. Следовательно, и все изображение предмета, удаленного на большое расстояние, получится в фокальной (фокусной) плоскости.

Таким образом, в зависимости от удаленности предмета изображение его будет получаться на разных расстояниях от линзы. Конечно, положение изображения предмета зависит не только от удаленности самого предмета, но и от выпуклости линзы. Чем больше эта выпуклость, тем сильнее преломляются проходящие через нее лучи, тем короче ее фокусное расстояние и ближе изображение предмета.

Заменяя линзы с большей или меньшей кривизной, можно от одного и того же предмета получить изображения, удаленные на разные расстояния от линзы (рис. 114).

Зная, как происходит преломление лучей в линзах, можно перейти к рассмотрению основного оптического прибора, участвующего во всякого рода прицеливании, - к глазу человека (рис. 115)

Глаз представляет собой шаровидное тело, диаметром около 25 мм. Снаружи глаз покрыт плотной непрозрачной белковой оболочкой, или склерой, переходящей спереди в более выпуклую прозрачную роговую оболочку, или роговицу.

Изнутри белковая оболочка выстлана тонкой сосудистой оболочкой, пронизанной массой кровеносных сосудов, питающих глаз.

Сосудистая оболочка окрашена пигментом в черный цвет, благодаря чему попадающий в глаз свет не отражается и не рассеивается. Спереди, против роговицы, сосудистая оболочка переходит в так называемую радужную оболочку. Она видна через прозрачную роговицу.

Радужная оболочка придает окраску глазу. Цвет ее у разных людей различен. В середине радужной оболочки имеется отверстие, называемое зрачком. Зрачок обладает способностью сокращаться на свету и расширяться в темноте.

 

	Рис. 110. Построение изображения светящейся точки при помощи хода двух лучей: S - светящаяся точка; S' - изображение светящейся точки; F - фокус линзы; О - оптический центр линзы
Рис. 109. Преломление лучей, параллельных оптической оси линзы. Лучи сходятся в одной точке
	Рис. 112. Предмет А Б находится по отношению к двояковыпуклой линзе дальше фокуса, но ближе двойного фокусного расстояния. Изображение предмета действительное (перевернутое)
Рис. 111. Предмет А Б находится между двояковыпуклой линзой и фокусом. Мнимое прямое изображение предмета
Рис. 113. Предмет Л 5 находится за двойным фокусным расстоянием по отношению к двояковыпуклой линзе. Изображение действительное, обратное и уменьшенное	Рис. 114. Схема различной степени уменьшения изображения предмета в зависимости от кривизны линзы: верхняя схема - при меньшей кривизне сферы линз; нижняя схема - при большей кривизне сферы линз
	Рис. 116. Схема получения изображения на сетчатке глаза. Изображение действительное, обратное и уменьшенное
Рис. 115. Схема строения глаза человека

Диаметр зрачка может изменяться в пределах ст 2 до 7 мм. Через зрачок лучи света попадают в глаз. За радужной оболочкой находится хрусталик - плотное прозрачное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Хрусталик по краям соединен с оболочкой глаза так называемой ресничной мышцей.

Действием ресничной мышцы может изменяться выпуклость хрусталика. Сзади в глаз входит зрительный нерв, который, разветвляясь на мельчайшие нервные волокна, образует сетчатую оболочку, или сетчатку, выстилающую изнутри сосудистую оболочку.

Нервные окончания в глазу различаются по конфигурации и носят название палочек и колбочек. Палочки чувствительны к свету, колбочки воспринимают цвета.

В сетчатке имеется 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек. Неравномерное содержание палочек и колбочек, т. е. светочувствительных и цветочувствительных элементов, объясняет, почему с уменьшением освещенности глаз значительно раньше перестает различать цвета предметов, а затем уже их контуры.

Небольшое пространство между роговицей и радужной оболочкой заполнено водянистой влагой, а вся полость глаза за хрусталиком - студенистым веществом, носящим название стекловидного тела. И водянистая влага, и стекловидное тело прозрачны.

Лучи света от рассматриваемого предмета, попадая в глаз, проходят сквозь роговицу, водянистую влагу и через зрачок проникают в хрусталик, играющий роль двояковыпуклой линзы. Преломившись в хрусталике и пройдя через стекловидное тело, лучи света дают на сетчатку действительное, обратное и уменьшенное изображение рассматриваемого предмета (рис. 116). Человеческий глаз видит предметы в перевернутом виде.

Постоянное общение с окружающей обстановкой приучает нас представлять предметы в прямом виде.

Рассматриваемый предмет виден отчетливо только в том случае, когда его изображение попадает на сетчатку. Если бы оптическая система глаза оставалась все время неизменной, то на сетчатке получились бы четкие изображения предметов, удаленных лишь на какое-то определенное расстояние.

При этом лучи от более далеких предметов пересекались бы перед сетчаткой, а лучи от более близких предметов - за ней и давали бы на сетчатке неотчетливое, расплывчатое изображение.

Известно, однако, что нормальный глаз может отчетливо видеть предметы, удаленные на самые различные расстояния - в пределах от 15 см до бесконечности. Эта особенность глаза объясняется способностью хрусталика с помощью ресничной мышцы изменять свою выпуклость.

При рассматривании близких предметов выпуклость хрусталика становится больше, преломляющие его способности (оптическая сила) увеличиваются, изображение предмета приближается к хрусталику и попадает на сетчатку.

При рассматривании удаленных предметов выпуклость хрусталика, а вместе с тем и его преломляющая способность (оптическая сила) уменьшаются. Изображение удаленного предмета, отодвигаясь от хрусталика, опять попадает на сетчатку.

Таким образом, изменяя свою оптическую систему, глаз может попеременно, но отнюдь не одновременно, отчетливо видеть разноудаленные предметы.

Способность глаза приспосабливаться к видению предметов, удаленных на разные расстояния, называется аккомодацией.

Следует отметить, что оптическая система глаза очень короткофокусная, с фокусным расстоянием около 15 мм, а потому предметы, удаленные дальше 12 м, воспринимаются глазом одинаково, без изменения кривизны хрусталика, как удаленные в бесконечность и дающие от каждой точки параллельные лучи света.

Нормальный человеческий глаз без всякого напряжения может отчетливо видеть предметы, удаленные в бесконечность (практически находящиеся дальше 12 м).

Для рассматривания более близких предметов требуется уже известное напряжение. Отклонением от нормы являются близорукие и дальнозоркие глаза.

Близорукий глаз сводит лучи от дальних предметов перед сетчаткой, вследствие чего изображение их получается расплывчатым.

Для исправления близорукости употребляются очки с рассеивающими линзами, которые отодвигают изображение к сетчатке. Дальнозоркие глаза, наоборот, сводят лучи от близких предметов за сетчаткой.

Для выправления дальнозоркости применяются очки с собирательными линзами, усиливаю-, щими преломляющую способность (оптическую силу) хрусталика.

Таким образом, применение очков при дальнозоркости или при близорукости исправляет дефект глаза, как бы восстанавливает нормальное зрение, нарушенное близорукостью или дальнозоркостью.

Часто встречается также старческая дальнозоркость. С возрастом хрусталик теряет свою гибкость и уже не может принимать достаточно выпуклую форму для рассматривания близко расположенных предметов.