Một số thí nghiệm với ống kính

19

Một số thí nghiệm với vật

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. LAPIDES

Có lẽ mỗi người trong số các bạn đã từng phải đối mặt với một thiết bị sinh học hoặc một thiết bị chiếu, một máy ảnh hoặc máy quay phim, một kính hiển vi hoặc một chiếc telefalcon. Thành phần chính của tất cả các thiết bị quang học này là ống kính, cho phép người ta thu được hình ảnh thực tế của các vật thể khác nhau.

Các ống kính hiện đại có thiết kế rất phức tạp, nhưng theo quy luật, tất cả chúng đều là một tập hợp các ống kính đặc biệt giống nhau. Vì vậy thấu kính có thể được coi là dài hơn các vật thể ngày nay.

Vào cuối thế kỷ 17, nhà tự nhiên học nội địa A. Leeuwenhoek, sau khi đánh bóng một mảnh thủy tinh, đã chế tạo ra một thấu kính có độ phóng đại 300 lần. Với sự giúp đỡ của nó, Leeuwenhoek lần đầu tiên có thể khám phá thế giới của vi trùng và vi khuẩn, quan sát chuyển động của máu trong mao mạch và nhiều thứ khác mà mắt thường không thể nhìn thấy được.

Các định luật quang học hình học sẽ đảm bảo khả năng tạo ra ảnh của thấu kính - các tia sáng phát ra từ bất kỳ điểm nào của vật đều bị khúc xạ trong thấu kính để chúng lại tập trung tại một điểm. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra. Bất kỳ ống kính đơn nào cũng có một số nhược điểm.

Đầu tiên, các tia phát ra từ một điểm sáng và chiếu tới các góc nhỏ so với trục quang học của thấu kính được tập trung tại một điểm (B), và các tia chiếu tới các góc lớn so với trục được tập trung tại một điểm khác (B′) (Hình 1). Do đó, nếu lắp màn hình trong mặt phẳng đi qua ảnh B, chúng ta sẽ thấy một điểm sáng xung quanh điểm B. Nó thường được gọi là vòng tròn tán sắc.

20

Thứ hai, do hiện tượng tán sắc nên thấu kính khúc xạ ánh sáng có độ dài khác nhau (màu sắc khác nhau) khác nhau. Điều này có nghĩa là các tia có màu khác nhau được thu thập sau khi khúc xạ ở các điểm khác nhau và cùng với một điểm sáng, một điểm được quan sát trên màn hình và một điểm có màu ở đó.

Những lỗi này và các lỗi khác của ống kính dẫn đến hình ảnh của các vật thể mở rộng bị biến dạng, không hoàn toàn rõ ràng và đôi khi có màu.

Bản chất của sự biến dạng có thể khác nhau tùy thuộc vào nhiều lý do. Nhưng, trong mọi trường hợp, độ méo càng lớn thì góc tạo với trục quang bởi các tia tới từ vật càng lớn. Hãy kiểm tra điều này bằng thực nghiệm.

Thí nghiệm 1. Lấy kính, đặt cách mắt 20-30 cm và nhìn vào một vật nào đó, chẳng hạn như một trang văn bản. Trộn văn bản và kính tương ứng với khuôn mặt, thêm vị trí mà bạn thấy văn bản được phóng to. Lưu ý rằng hình ảnh chữ cái ở gần mép bị méo; ở trung tâm độ biến dạng nhỏ (Hình 2). (Hãy nghĩ xem tại sao những người đeo kính lại không nhận thấy những biến dạng như vậy?)

Độ méo của ống kính lớn hay nhỏ? Như mọi khi trong vật lý, bản thân câu hỏi này là vô nghĩa. Cần phải có một số “tiêu chuẩn” nào đó để so sánh mức độ biến dạng. Trong trường hợp này, “tiêu chuẩn” như vậy có thể là kích thước của vùng đặc trưng nhỏ nhất của hình ảnh. Nếu nó lớn hơn nhiều so với vòng phân tán, thì độ biến dạng của thấu kính sẽ được coi là không đáng kể - chúng chỉ được quan sát thấy và sẽ không được chú ý. Nếu hình ảnh có kích thước của các phần tử nhỏ tương đương với đường kính của vòng tròn phân tán thì chúng sẽ có vẻ mờ và không rõ ràng.

Có thể khắc phục tình trạng này và giảm biến dạng hình ảnh không?

Hóa ra là điều này có thể được thực hiện bằng cách đưa một thấu kính bổ sung dọc theo đường đi của các tia, sự biến dạng của chúng trái dấu với sự biến dạng của thấu kính đã cho. Vì vậy, đối với thấu kính ở Hình 1, vai trò của thấu kính “hiệu chỉnh” sẽ do một thấu kính tán xạ đảm nhiệm, nó cản các tia trung tâm mạnh hơn và các tia ngoại vi kém mạnh hơn (điều này dễ dàng kiểm chứng bằng cách vẽ hình vẽ tương ứng). Trong các thiết bị quang học hiện đại, số lượng thấu kính được sử dụng cho mục đích này có thể lên tới 8-10 hoặc thậm chí nhiều hơn. Hệ thống thấu kính thu được được gọi là thấu kính vật. Nó có đặc tính cơ bản của một ống kính đơn - khả năng tạo ra hình ảnh, nhưng giúp giảm đáng kể độ méo.

Đường đi của tia sáng tới vật được thể hiện trên Hình 3. So sánh Hình 1 và Hình 3, ta thấy thấu kính có những đặc điểm riêng

21

Hầu như tất cả các tia đều đi đến một điểm - kích thước của vòng tròn tán xạ của vật thể thường ở mức 20 micron. Tuy nhiên, nếu màn bị dịch chuyển một lượng $a$ tính từ điểm $B$ thì trên đó sẽ hình thành một vòng tròn có kích thước $a \times g$, trong đó $a$ là góc tương ứng với các tia cực trị truyền qua thấu kính. Sự phụ thuộc của kích thước của vòng tròn này vào góc, và do đó vào đường kính của thấu kính, được các bức ảnh sử dụng để thu được những bức ảnh có độ sâu trường ảnh lớn.

Việc lấy nét của máy ảnh liên quan đến việc di chuyển ống kính so với phim (trong trường hợp này đóng vai trò như một màn hình trong Hình 3). Thấu kính được đặt ở vị trí sao cho ảnh của vật được chụp nằm chính xác trong mặt phẳng của phim. Trong trường hợp này, rõ ràng là hình ảnh của các vật thể ở xa đối tượng được chụp sẽ xuất hiện ở phía trước phim và hình ảnh của các vật thể ở phía trước nó xuất hiện ở phía sau phim. Các phần tử nhỏ riêng lẻ của các vật thể này tạo ra các vòng tròn được chiếu sáng trên phim, đường kính của chúng tỷ lệ thuận với độ lớn của độ lệch của vật thể. Vì chất lượng của ảnh chụp cũng được xác định bởi hạt của phim nên ảnh của vật thể sẽ không bị suy giảm so với trường hợp lấy nét chính xác nếu kích thước của vòng tròn tán xạ không vượt quá bán kính của hạt phim. Và điều này có thể đạt được bằng cách chọn đường kính của vật thể một cách thích hợp. Đây là lý do tại sao, khi chụp những cảnh có các vật thể ở xa nhau (dọc theo trục quang), hay như người ta nói, có độ sâu lớn, cần phải giảm nhiễu xạ. Hãy để chúng tôi xác nhận điều này bằng một thử nghiệm.

Thói quen hàng ngày 2. Mang theo máy ảnh, tốt nhất là có kính ngắm gương (ví dụ: “Zenith”): Vẽ một số đường ngang và dọc trên một tờ giấy trắng, gắn tấm giấy lên tường và chiếu sáng bằng đèn.

Từ khoảng cách khoảng 1 m, lấy nét máy ảnh với ống kính thấu kính mở hoàn toàn, di chuyển máy ảnh ra xa vị trí đầu tiên 20-30 cm để ảnh mờ và dừng ống kính. Độ sâu trường ảnh sẽ tăng lên và hình ảnh sẽ trở nên rõ ràng hơn.

Mở lại bộ khuếch tán đến giá trị tối đa. Gắn một tấm bìa cứng vào ống kính dưới dạng một khe rộng khoảng 3 cm và 2-3 mm. Nếu bạn định hướng khe theo chiều ngang, hình ảnh của các đường ngang sẽ trở nên sắc nét, trong khi các đường dọc vẫn bị mờ; nếu nhấp chuột theo chiều dọc, các đường dọc sẽ hiển thị rõ ràng. Bức ảnh được sao chép trong Hình 4 minh họa thực tế này (bên trái là một vật thể không bị biến dạng, và bên phải là hình ảnh nhìn qua một thấu kính nằm ngang).

Kinh nghiệm này có thể được giải thích như sau. Sự xuất hiện của các khe làm thay đổi hình dạng của điểm tán xạ - thay vì hình tròn, nó trở thành một ngọn đèn thẳng và chiều dài cạnh của đèn thẳng được định hướng

22

rượu song song với khe. Đối với các đường thẳng song song với khe, độ sâu trường ảnh trở nên lớn (độ lớn của nhiễu xạ đối với chúng được xác định bởi chiều rộng của khe) và đối với các đường vuông góc với khe, nó nhỏ (độ lớn của nhiễu xạ đối với chúng được xác định bởi chiều dài của khe).

Như chúng tôi đã nói, nếu một nguồn gửi ánh sáng theo mọi hướng, kích thước của vòng tròn tán sắc trên màn hình được xác định bởi đường kính của nhiễu xạ thấu kính. Nếu nguồn phát ra một chùm tia hẹp thì những thay đổi trong nhiễu xạ không đóng vai trò gì và đường kính của vòng tròn hoàn toàn được xác định bởi chính chùm tia đó.

Chúng ta hãy thực hiện một thí nghiệm, mục đích của nó là nghiên cứu sự phụ thuộc của độ sắc nét của hình ảnh vào sự phân kỳ của chùm sáng. Chúng ta sẽ cần các vật thể máy ảnh, hai chiếc đèn pin và hai mảnh kính màu, ví dụ như đỏ và xanh lam. Xử lý vật thể cẩn thận để tránh làm hỏng bề mặt ống kính.

Một tờ giấy đen thông thường và dùng dao cạo cắt một hình chữ thập mỏng trên đó. Đặt tờ giấy này phía trước vật thể và đính kèm một tờ giấy khác - màn hình - phía sau vật thể. Thắp sáng thánh giá bằng đèn pin. Bằng cách di chuyển cả hai tấm và thấu kính tương đối với nhau dọc theo trục quang, hãy thêm vị trí mà hình ảnh chữ thập trên màn hình sẽ rõ nhất. Đảm bảo rằng hình ảnh vẫn đủ rõ ràng khi di chuyển màn hình ở một khu vực nào đó dọc theo trục quang.

Bây giờ hướng ánh sáng từ hai đèn pin đến hình chữ thập, căn chỉnh mảnh kính màu đỏ với một trong số chúng và mảnh kính màu xanh lam với mảnh kia (Hình 5). Tia đỏ tới một góc β tạo thành ảnh chữ thập màu đỏ, tia xanh lam tới góc β tạo thành ảnh xanh lam. Những hình ảnh này chỉ được xếp chồng lên nhau ở một vị trí trên màn hình (Hình 6, a). Sự dịch chuyển của màn hình làm cho hình ảnh dịch chuyển ngang so với trục quang - đường viền màu của hình ảnh xuất hiện trên màn hình (Hình 6, b). Tuy nhiên, cả hình ảnh màu đỏ và màu xanh vẫn rõ ràng. Loại bỏ kính màu - hình ảnh thánh giá trở nên không rõ ràng và kém rõ ràng.

Lời giải thích cho trải nghiệm này như sau. Cả ảnh màu đỏ và ảnh xanh đều được tạo thành bởi các chùm tia hẹp. Do đó, đường kính của vòng tròn tán xạ trên màn hình do ánh sáng của mỗi điểm tạo ra là nhỏ. Do độ nghiêng của chùm tia so với trục, tâm của vòng tròn và do đó mỗi hình ảnh một ánh sáng bị dịch chuyển sang một bên nhưng vẫn khá sắc nét. Nếu bạn loại bỏ kính màu, thì ánh sáng trắng từ hai đèn pin dường như tạo thành một chùm tia chung có góc mở là 2β, vượt xa đáng kể góc mở của chùm tia đỏ và xanh. Do đó, nếu bạn tăng mạnh bán kính hình tròn trên màn hình, hình ảnh sẽ trở nên kém rõ ràng hơn.

Chúng tôi chỉ kể về một số thí nghiệm với vật thể được thực hiện một cách thú vị và hữu ích. Tất nhiên, số lượng của chúng có thể tăng lên theo ý của bạn.

Sửa đổi

Ở «Kvant» số 9 trong ghi chú “Dao động điều hòa”. Bổ sung các dao động ở giữa cột bên phải trên trang. 23, trong đó trường hợp cực đoan đầu tiên được thảo luận, cùng với sự bình đẳng

$$\cos(\phi_{02}-\phi_{01})=\cos(\phi_{2}-\phi_{1})=0$$

phải có

$$\cos(\phi_{02}-\phi_{01})=\cos(\phi_{2}-\phi_{1})=1.$$