Przyrządy optyczne

Wstęp — przyrządy, które pomagają widzieć

Człowiek od zawsze chciał widzieć więcej: małe rzeczy z bliska (bakterie, komórki), a odległe z daleka (planety, statki na horyzoncie). Dlatego wynalazł przyrządy optyczne — urządzenia, które za pomocą soczewek i zwierciadeł tworzą obrazy tam, gdzie samo oko nie daje rady.

Ale najlepszy przyrząd optyczny nosisz w głowie — to Twoje oko. Działa jak żywy aparat fotograficzny. W tej lekcji poznasz jego budowę, dowiesz się, skąd biorą się wady wzroku i jak pomagają okulary, a na koniec zobaczysz, jak zbudowane są lupa, aparat, mikroskop i luneta.

W tej lekcji poznasz:

• budowę oka i to, jak powstaje na siatkówce obraz,
• krótkowzroczność i dalekowzroczność oraz ich korekcję soczewkami,
• zasadę działania lupy, aparatu, mikroskopu i lunety.

Oko — żywy aparat fotograficzny

Oko zbiera światło i skupia je, tworząc obraz — zupełnie jak camera obscura z soczewką. Najważniejsze części to:

Soczewka oka tworzy na siatkówce obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony — dokładnie taki, jak soczewka skupiająca dla dalekiego przedmiotu. To, że widzimy świat „prosto", a nie do góry nogami, zawdzięczamy mózgowi, który odwraca ten obraz z powrotem.

Zdolność soczewki oka do zmiany kształtu (a więc i ogniskowej), by ostro widzieć raz z bliska, raz z daleka, nazywamy akomodacją.

Rys. 1. W oku soczewka tworzy na siatkówce obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony — jak w aparacie fotograficznym.

Wady wzroku i ich korekcja

U zdrowego oka obraz powstaje dokładnie na siatkówce — wtedy widzimy ostro. Gdy obraz tworzy się przed siatkówką albo za nią, obraz jest nieostry. To wady wzroku. Na szczęście można je poprawić odpowiednimi soczewkami w okularach.

Krótkowzroczność

Oko za mocno skupia światło (albo jest zbyt „długie"). Obraz dalekich przedmiotów powstaje przed siatkówką, więc daleko widać nieostro (a z bliska dobrze).

Korekcja: soczewka rozpraszająca („na minus"), która wstępnie rozprasza światło, żeby obraz przesunął się na siatkówkę.

Dalekowzroczność

Oko skupia światło za słabo (albo jest zbyt „krótkie"). Obraz bliskich przedmiotów tworzy się za siatkówką, więc z bliska widać nieostro.

Korekcja: soczewka skupiająca („na plus"), która pomaga oku skupić światło na siatkówce.

Rys. 2. Krótkowzroczność koryguje soczewka rozpraszająca, a dalekowzroczność — skupiająca. Obie przesuwają obraz na siatkówkę.

Lupa — najprostszy przyrząd

Lupa to pojedyncza soczewka skupiająca o krótkiej ogniskowej. Gdy trzymamy oglądany przedmiot bliżej niż ognisko, lupa daje obraz pozorny, prosty i powiększony (jak w lekcji o soczewkach). Dzięki temu drobne litery czy owady widać jak przez powiększenie.

Aparat fotograficzny

Aparat działa jak oko: soczewka (obiektyw) tworzy obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony na matrycy (dawniej — na kliszy). Zamiast zmieniać kształt soczewki jak oko, aparat ustawia ostrość, przesuwając obiektyw bliżej lub dalej od matrycy.

Mikroskop i luneta — łączymy dwie soczewki

Żeby zobaczyć naprawdę małe albo bardzo dalekie obiekty, jedna soczewka nie wystarczy. Łączymy więc dwie:

• Mikroskop — dwie soczewki skupiające; pierwsza (obiektyw) tworzy powiększony obraz maleńkiego obiektu, a druga (okular) działa jak lupa i powiększa go jeszcze bardziej. Pozwala oglądać komórki i bakterie.
• Luneta / teleskop — służy do oglądania dalekich obiektów (statki, planety, gwiazdy). Obiektyw (duża soczewka lub zwierciadło wklęsłe) zbiera światło z daleka, a okular powiększa powstały obraz.

Rys. 3. Lupa to jedna soczewka. Mikroskop i luneta łączą dwie soczewki: obiektyw i okular.

Zobacz to w symulacji

W symulacji patrzysz na oko od boku. Suwakiem zmieniasz moc soczewki oka — zobacz, kiedy obraz powstaje dokładnie na siatkówce (ostro), a kiedy przed nią lub za nią (nieostro). Włącz okulary korekcyjne i sprawdź, jak przesuwają obraz z powrotem na siatkówkę.

Zadania krok po kroku

Zadanie 1 — jakie okulary?

Babcia trzyma gazetę daleko od oczu, bo z bliska litery się rozmazują. Jaką ma wadę wzroku i jakich okularów potrzebuje?

Krok 1. Problem dotyczy widzenia z bliska — to objaw dalekowzroczności (obraz bliskich przedmiotów powstaje za siatkówką).

Krok 2. Dalekowzroczność koryguje soczewka skupiająca („na plus").

Odpowiedź: To dalekowzroczność; potrzebne są okulary ze soczewkami skupiającymi.

Zadanie 2 — obraz na siatkówce

Jaki obraz powstaje na siatkówce zdrowego oka, gdy patrzysz na drzewo w oddali?

Krok 1. Soczewka oka jest skupiająca, a drzewo jest daleko (dalej niż podwójna ogniskowa).

Krok 2. Soczewka skupiająca dla dalekiego przedmiotu daje obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony.

Odpowiedź: Obraz jest rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony; „prosto" widzimy dzięki mózgowi.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Na siatkówce powstaje obraz prosty." Nie — obraz jest odwrócony; to mózg „odwraca" go z powrotem.
2. Mylenie okularów. Krótkowzroczność → soczewka rozpraszająca („minus"); dalekowzroczność → skupiająca („plus").
3. „Oko zmienia ostrość, przesuwając soczewkę jak aparat." Nie — oko zmienia kształt soczewki (akomodacja); to aparat przesuwa obiektyw.
4. „Lupa daje obraz rzeczywisty." Nie — lupa daje obraz pozorny, prosty, powiększony (przedmiot bliżej ogniska).
5. „Mikroskop i luneta to to samo." Nie — mikroskop służy do rzeczy małych i bliskich, luneta do dalekich.

Podsumowanie

• Oko działa jak aparat: soczewka tworzy na siatkówce obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony; ostrość reguluje akomodacja (zmiana kształtu soczewki).
• Krótkowzroczność (obraz przed siatkówką, źle widać daleko) koryguje soczewka rozpraszająca; dalekowzroczność (obraz za siatkówką, źle widać z bliska) — skupiająca.
• Lupa to jedna soczewka skupiająca dająca obraz pozorny, prosty i powiększony.
• Aparat tworzy obraz rzeczywisty na matrycy; mikroskop i luneta łączą dwie soczewki (obiektyw + okular) do oglądania obiektów małych i dalekich.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — optyka.

Dalsza lektura

• Soczewki — jak soczewki skupiają światło i tworzą obrazy (podstawa działania oka i przyrządów).
• Zwierciadła — teleskopy zwierciadlane i lusterka.
• Rozchodzenie się światła — camera obscura, czyli aparat bez soczewki.