Световые лучи и изображения. Преломление световых лучей.

Каждый из нас хотя бы раз в день заглядывает в зеркало, а люди с плохим зрением почти все время смотрят на окружающий их мир через очки или контактные линзы. Телескопы, бинокли, микроскопы, фотоаппараты и проекторы помогают нам более детально исследовать различные объекты, чем это способен сделать невооруженный человеческий глаз. Во всех этих оптических устройствах используются зеркала и линзы. Их действие основано на простых законах геометрической оптики. Однако, прежде чем говорить об этих законах, необходимо понять, как формируется изображение.

Световые лучи и изображения. Любой освещенный или светящийся предмет испускает световые лучи, которые распространяются по прямым во всех направлениях. Изображение образуется, если какие-либо два луча, пришедшие из одной и той же точки предмета, пересекаются. Чтобы лучи пересеклись, они должны отклониться от прямолинейного пути. Для этой цели и служит линза. Созданное ею изображение можно наблюдать на фотографии или экране, помещенных в месте пересечения лучей. Если лучи пересекаются точно в одной точке, то изображение оказывается отчетливым-говорят, что изображение находится в фокусе. Такое изображение называется действительным, оно возникает в фотокамере или создается на экране проектора. Если входящие в линзу лучи параллельны, то изображение формируется на расстоянии, называемом фокусным расстоянием линзы.

Плоское зеркало отражает световые лучи под тем же углом, под каким они падают (А), тогда как матовая поверхность (Б) рассеивает свет. Мы видим изображение в зеркале в точке, где зарождались бы лучи, если бы их пути не искажались зеркалом (В). Изображение предмета кажется в зеркале повернутым боком (Г), поскольку отраженные лучи попадают в части глаза, противоположные соответствующим краям предмету

Плоские зеркала, напротив, создают изображения, которые невозможно показать на экране. В этом случае лучи, идущие от предмета, изменяют направление при отражении от зеркала, оставаясь по- прежнему расходящимися. Однако мозг человека воспринимает это изображение так, как если бы световые лучи попадали в глаз по прямой; поэтому мы видим изображение там, где предмет должен был бы находиться, если бы лучи не искривлялись. Этот вид изображения называется мнимым, оно всегда резкое.

Свет отражается от любой поверхности, на которую падает, за исключением абсолютно черной. Тусклая или матовая поверхность отражает лучи под любыми углами. Гладкая поверхность действует подобно зеркалу и отражает лучи так, что угол падения равен углу отражения. Плоское зеркало отражает лучи под тем же углом, под каким они падают, причем так, что мнимое изображение, видимое в зеркале, имеет те же размеры и форму, что и реальный предмет.

Левый и правый края предмета меняются местами, поскольку луч света от правого края предмета отражается зеркалом в левую часть глаза и наоборот.

Кривые зеркала дают изображения с измененными формой и размерами. Выпуклое зеркало (выгнутое в сторону наблюдателя) создает уменьшенное мнимое изображение. Лучи света, отраженные от такого зеркала, расходятся больше, чем отраженные от плоского, в результате уменьшенное мнимое изображение формируется позади зеркала. Вогнутое зеркало заставляет лучи, идущие от предмета, сходиться, создавая действительное изображение перед зеркалом. Если же предмет расположен очень близко к вогнутому зеркалу, то лучи расходятся меньше, чем в случае плоского зеркала, и тогда увеличенное мнимое изображение возникает позади зеркала.

Кривые зеркала формируют действительные и мнимые изображения. Вогнутое зеркало (А) отражает лучи параллельного пучка света так, что они сходятся в фокусе f). Действительное изображение удаленного предмета будет возникать на экране, помещенном на фокусном расстоянии по ту же сторону от зеркала. Если же источник света расположен в фокусе вогнутого зеркала, оно создает параллельный пучок света. Так действует рефлектор автомобильной фары (Б). При отражении от выпуклого зеркала (В) параллельные лучи расходятся так, как если бы они исходили из фокуса f¹), при этом возникает уменьшенное мнимое изображение (Г)

Сферические аберрации приводят к размытому изображению. Лучи, проходящие через центр линзы, и лучи, проходящие через ее края, фокусируются в разных точках. Сферические аберрации можно уменьшить, используя более тонкие линзы или комбинируя несколько линз так, чтобы они взаимно компенсировали эти искажения.

Преломление световых лучей. Если световые лучи встречают на своем пути прозрачное тело, то большинство из них проникает в него и выходит с противоположной стороны. Когда лучи проходят через границу, они преломляются, отклоняясь от граничной поверхности, если они попадают в более плотную среду. Этот эффект и называется преломлением. Часть света отражается без преломления. Если, выходя из более плотной среды, лучи падают на поверхность под углом, равным или меньшим некоторого критического, то они полностью отражаются назад (без преломления)-свет остается внутри более плотной среды. Степень преломления зависит от коэффициента преломления среды: чем он больше, тем сильнее лучи меняют свое направление.

Зеркала и линзы изменяют пути распространения световых лучей в соответствии с законами геометрической оптики. Луч света отражается от зеркала под тем же углом, под каким падает на него. Зрительные же центры головного мозга действуют таким образом, что нам кажется, что световые лучи попадают в глаз непосредственно от предмета; поэтому мы видим изображение позади зеркала. Проходя через прозрачный материал, луч света преломляется на граничной поверхности под некоторым углом, величина которого зависит от коэффициента преломления материала. И опять мы видим предмет смещенным относительно его действительного положения.

Преломление и линзы. Эффект преломления объясняет, почему предметы в воде кажутся погруженными на меньшую глубину, чем на самом деле. Выходя из воды, световые лучи, идущие от погруженного тела, преломляются на поверхности, но глаз, как обычно, воспринимает их так, словно они идут от предмета по прямой линии.

Мы видим предмет, когда световые лучи, исходящие из одной точки, искривляются так, что сходятся на сетчатке. Дерево отражает световые лучи во всех направлениях. Наш глаз может воспринимать его непосредственно (А), может видеть мнимое изображение дерева «позади» зеркала (Б) или действительное изображение его, созданное на экране линзой (В). Но изображение локализуется в тех точках, из которых кажутся исходящими световые лучи.

Действие линзы основано на преломлении; она искривляет лучи, падающие на нее под разными углами. В выпуклых линзах (в них поверхности выгнуты наружу) световые лучи, прошедшие через линзу, сходятся и, пересекаясь, образуют действительное изображение. Линзы в фотокамере, проекторе и хрусталик человеческого глаза действуют именно таким образом. Но когда предмет расположен очень близко к линзе, лучи, прошедшие через нее, расходятся. Если посмотреть на линзу с противоположной стороны, то мы увидим увеличенное мнимое изображение предмета позади линзы. Так работает увеличительное стекло. Вогнутые линзы (в них поверхности выгнуты внутрь) заставляют лучи расходиться и создают уменьшенное мнимое изображение. Эти линзы используются в очках, предназначенных для коррекции близорукости; при дальнозоркости требуются выпуклые линзы.

Перископ, в его простейшей форме, состоит из двух зеркал, повернутых на 45° друг относительно друга, так что изображение объекта отражается от верхнего зеркала инструмента к наблюдателю, находящемуся у его основания. Перископ подводной лодки действует по такому же принципу, но вместо зеркал имеет призмы и систему линз, создающих увеличенное изображение или широкое поле обзора.

Одиночные линзы создают аберрации (искажение изображения) различных видов. Так, по краям изображения возникает окрашенная кайма, а отдельные части его выглядят смазанными. При использовании комбинации из нескольких линз аберрации уменьшаются благодаря взаимной компенсации дефектов каждой линзы. Высококачественные линзы состоят из нескольких различных элементов, собранных вместе и дающих цельное изображение.

Линзы как инструмент получения изображений используются почти во всех оптических приборах. Однако все самые большие астрономические телескопы являются зеркальными; их вогнутые зеркала создают действительное изображение далеких космических объектов, которое затем увеличивается при помощи линз.

В микроскопе изображение образца формируется линзой объектива, а затем его наблюдают увеличенным через линзу окуляра. Благодаря этому мы видим образец так, словно он расположен на предельно близком расстоянии. 1-полевая линза объектива; 2-глазная линза окуляра; 3- образец; 4- объектив окуляра: 5- микроскоп значительно увеличивает угол, под которым свет отражается от образца и попадает в глаз, в результате кажется, что мнимое изображение находится в этой плоскости; 6- зеркало, направляющее свет на образец.