С помощью зрительных труб обычно рассматривают удаленные предметы, лучи от которых образуют почти параллельные слабо расходящиеся пучки. Основной задачей является увеличение углового расхождения этих пучков для того, чтобы их источники оказались на сетчатке разрешенными (не слившимися в точку).

На рисунке показан ход лучей в трубе Кеплера , состоящей из двух собирающих линз, задний фокус объектива совпадает с передним фокусом окуляра. Предположим, мы рассматриваем две точки удаленного тела, например Луны. Первая точка испускает пучок, параллельный главной оптической оси (не показан), а вторая, нарисованный на чертеже косой пучок, идущий под малым углом φ к первому. Если угол φ меньше 1’, то изображения обеих точек на сетчатке сольются. Нужно увеличить угол расхождения пучков. Как это сделать – показано на чертеже. Косой пучок собирается в общей фокальной плоскости, затем расходится. Но затем преобразуется второй линзой в параллельный. После второй линзы этот параллельный пучок идет под гораздо большим углом φ’ к осевому пучку. Простые геометрические рассуждения позволяют найти приборное (угловое) увеличение.

Точка фокальной плоскости, в которой собирается наклонный пучок определяется центральным лучом пучка, идущим без преломления через первую линзу. Чтобы определить угол прохождения этого пучка через вторую линзу, достаточно рассмотреть вспомогательный источник в этой точке фокальной плоскости. Испускаемые им лучи превратятся после второй линзы в параллельный пучок. Он будет параллелен центральному лучу второй линзы (рисунок). Значит пучок, нарисованный на верхнем рисунке пойдет под тем же углом φ’ к оптической оси. Видно, что и , поэтому . Приборное увеличение трубы Кеплера равно отношению фокусных расстояний, поэтому объектив всегда имеет гораздо большее фокусное расстояние. Для правильного описания действия трубы необходимо рассматривать наклонные пучки. Параллельный оси пучок преобразуется трубой в пучок меньшего диаметра.

Поэтому в зрачок глаза попадает больше световой энергии, чем при непосредственном наблюдении, например, звезд. Звезды настолько малы, что их изображения всегда формируются на одном «пикселе» глаза. С помощью трубы мы не можем получить протяженного изображения звезды на сетчатке. Однако, свет слабосветящихся звезд может быть «сконцентрирован». Поэтому в трубу можно увидеть звезды, невидимые глазом. Таким же образом объясняется, почему в трубу можно наблюдать звезды даже днем, когда при наблюдении простым глазом их слабый свет не виден на фоне ярко светящейся атмосферы.

Труба Кеплера обладает двумя недостатками, исправленными в трубе Галилея . Во-первых, длина тубуса трубы Кеплера равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра. То есть это максимально возможная длина. Во-вторых, что наиболее важно, этой трубой неудобно пользоваться в земных условиях, поскольку она дает перевернутое изображение. Идущий вниз пучок лучей преобразуется в идущий вверх. Для астрономических наблюдений это не так важно, а в зрительных трубах для наблюдения земных объектов приходится делать специальные «переворачивающие» системы из призм.

Труба Галилея устроена иначе (левый рисунок).

Она состоит из собирающей (объектива) и рассеивающей (окуляра) линз, причем их общий фокус находится теперь справа. Теперь длина тубуса – это не сумма, а разность фокусных расстояний объектива и окуляра. Кроме того, поскольку лучи отклоняются от оптической оси в одну сторону, изображение получается прямым. Ход луча и его преобразование, увеличение угла φ показано на рисунке. Проведя чуть более сложные геометрические рассуждения, мы придем к той же формуле для приборного увеличения трубы Галилея. .

Для наблюдения астрономических объектов приходится решать еще одну задачу. Астрономические объекты, как правило, слабосветящиеся. Поэтому в зрачок глаза попадает очень малый световой поток. Чтобы его увеличить, необходимо «собирать» свет с как можно большей поверхности, на которую он падает. Поэтому диаметр линзы-объектива делают как можно большим. Но линзы большого диаметра очень тяжелые, и кроме того, их трудно изготовить и они чувствительны к изменениям температуры и механическим деформациям, которые искажают изображение. Поэтому вместо телескопов-рефракторов (refract-преломлять), чаще стали использовать телескопы-рефлекторы (reflect- отражать). Принцип действия рефлектора состоит в том, что роль объектива, дающего действительное изображение, играет не собирающая линза, а вогнутое зеркало. На рисунке справа показан переносной телескоп-рефлектор весьма остроумной конструкции Максутова. Широкий пучок лучей собирается вогнутым зеркалом, но, не доходя до фокуса, поворачивается плоским зеркальцем так, что его ось становится перпендикулярной оси трубы. Точка s является фокусом окуляра – небольшой линзы. После этого пучок, ставший почти параллельным, наблюдается глазом. Зеркальце почти не мешает входящему в трубу световому потоку. Конструкция компактна и удобна. Телескоп направляется в небо, а зритель смотрит в него сбоку, а не вдоль оси. Поэтому луч зрения горизонтален и удобен для наблюдения.

В больших телескопах не удается создавать линзы диаметром более метра. Качественное вогнутое металлическое зеркало можно сделать диаметром до 10 м. Зеркала более устойчивы к воздействиям температуры, поэтому все самые мощные современные телескопы – рефлекторы.

Ответ на вопрос «Кто изобрёл телескоп?» известен всем нам со школьной скамьи: «Конечно же, Г.Галилей!» – ответите вы… и будете неправы. Первый образец телескопа (точнее, зрительной трубы) был изготовлен в Голландии в 1608г., причём сделали это независимо друг от друга три человека – Иоганн Липпершней, Захарий Янсен и Якоб Метиус. Все трое были очковыми мастерами, так что для своих труб использовали очковые линзы. Рассказывают, что Липпершнею идею подсказали дети: они совмещали линзы, пытаясь рассмотреть башню вдали. Из троих изобретателей дальше всех пошёл именно он: отправился со своим изобретением в Гаагу, где в то время шли переговоры между Испанией, Францией и Голландией – и главы всех трёх делегаций сразу же поняли, какую пользу может принести новый прибор в военном деле. В октябре того же года зрительной трубой заинтересовался голландский парламент, решался вопрос, дать ли изобретателю патент или назначить пенсию – но дело ограничилось выделением 300 флоринов и предписания сохранить изобретение в тайне.

Но в тайне сохранить не удалось: о голландской «волшебной трубе» стало известно многим, в том числе венецианскому посланнику в Париже, который рассказал об этом в письме Г.Галилею. Правда, рассказал он без подробностей, но Г.Галилей и сам догадался об устройстве прибора – и воспроизвёл его. Начал он тоже с очковых линз, и ему достичь трёхкратного увеличения – как и голландским мастерам, но такой результат учёного не устраивал. Дело в том, что Г.Галилей одним из первых понял, что такой прибор можно применить не только на войне или в морском деле – он может послужить астрономическим исследованиям! И в этом его несомненная заслуга. А для наблюдения небесных тел такого увеличения было недостаточно.

И вот Галилей усовершенствует технологию изготовления линз (как он это делал – предпочитал сохранять в секрете) и изготовил зрительную трубу, в которой линза, обращённая к наблюдаемым предметам, была выпуклой (т.е. собирала световые лучи), а к глазу – вогнутой (т.е. рассеивающей). Сначала он изготовил телескоп, дающий увеличение в 14 раз, затем – в 19,5, и наконец – в 34,6! В такой прибор уже можно было наблюдать небесные тела. Поэтому нельзя согласиться с теми, кто называет итальянского астронома, получившего патент на свою зрительную трубу, плагиатором: да, он был не первым, кто сконструировал подобный прибор – но он первым сделал такой телескоп, который мог стать орудием астронома.

И он им стал! Зрительная труба Г.Галиея прославилась не только своей мощностью (фантастической по тем временам), но и открытиями, которые с её помощью сделал учёный. Он обнаружил пятна на Солнце, передвижение которых доказывало, что Солнце вращается вокруг своей оси. Он увидел горы на Луне (и даже вычислил их высоту по размеру теней), выяснил, что она всегда обращена к Земле одной стороной. Наблюдал Галилей и изменения видимого диаметра Марса, и фазы Венеры.

Очень важным было открытие спутников Юпитера – конечно, телескоп Галилея позволял увидеть только четыре из них, самые крупные, но и этого было достаточно, чтобы сказать: вот видите, не всё во Вселенной вращается вокруг Земли – Коперник был прав! Правда, приоритет Г.Галилея в этом тоже оспаривают: за десять дней до него спутники Юпитера увидел другой астроном, Симон Мариус (именно он дал им названия Каллисто, Ио, Ганимед и Европа), но С.Мариус счёл их звёздами, а вот Г.Галилей догадался, что это именно спутники Юпитера.

Заметил Г.Галилей и кольца Сатурна. Правда, его телескоп ещё не позволял толком их разглядеть, он увидел лишь какие-то туманные пятна по бокам планеты и предположил, что это тоже спутники, но уверен не был – даже записал зашифровано.

И только в XX в. стало известно ещё об одном наблюдении Г.Галилея. В своих записях Г.Галилей упоминает о некой «слабой неизвестной звезде с постоянным блеском», наблюдаемой 28 декабря 1612 г. и 27 января 1613 г., и даже приводится чертёж, показывающий, где она находилась на небосводе. В 1980 г. два астронома – американец Ч.Ковал и канадец С.Дрейк – вычислили, что в то время именно там должна была наблюдаться планета Нептун!

Правда, Г.Галилей упоминает об этом объекте как о «звезде», а не планете, так что считать его первооткрывателем Нептуна всё-таки нельзя… но несомненно, что он со своей зрительной трубой «открыл дорогу» всем тем, кто открыл и кольца Сатурна, и Нептун, и многое другое.

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?

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.

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

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