Fizika 11.

Az alábbi tartalmat jelenleg INGYENES hozzáféréssel tekinted meg.
Amennyiben szeretnél teljes hozzáférést az oldalhoz, kérlek, regisztrálj, jelentkezz be, és vásárold meg a szükséges elektronikus licencet vagy írd be a nyomtatott könyv hátuljában található kódot!
2.4. Összetett optikai rendszerek (Kiegészítő anyag)
A gyakorlati életben elsősorban nem egyszerű optikai eszközöket (tükröket, lencséket és prizmákat) használunk, hanem ezek együttes alkalmazásával megépített műszereket, berendezéseket. Ezeket összetett optikai rendszereknek nevezzük. A legismertebb és leggyakrabban használt összetett eszköz a mikroszkóp és a teleszkóp (távcső).
A mikroszkópot elsősorban nagyításra használják, segítségével tanulmányozható a sejtek és a mikroorganizmusok világa. Az elmúlt századokban a mikroszkóp használatával a kutatók számos felismerést és felfedezést értek el az élettan tudományában és a gyógyászatban.
Az első kezdetleges mikroszkópot és távcsövet a XVI – XVII. században Hollandiában készítették, ahol a fejlett üvegtechnika lehetővé tette, hogy viszonylag jó minőségű lencsékkel rendelkezzenek az összetett optikai eszközök megépítéséhez. Hollandiában Antonie van Leeuwenhoek (lővenhuk) (1632–1723) természettudós készített mikroszkópot, amellyel megfigyelte és elsőként írta le a baktériumokat és az egysejtűeket 1664-ben.
Hasonló jelentőséggel bírt a távcső felfedezése is, amely távoli objektumok – elsősorban égitestek – megfigyelésével gazdagította a kísérleti tapasztalatokat, és így új törvényszerűségek (pl. a bolygómozgás törvényei, a gravitációs vonzási törvény) felfedezéséhez vezette el a tudósokat.
Johannes Kepler (1571–1630) német csillagász 1611-ben a maga tervezte távcsővel (Kepler-féle távcső) figyelte meg a bolygók mozgását, és a kapott mérési eredményekből állapította meg a bolygómozgást leíró három törvényt.
GalileoGalilei (1564–1642) itáliai természettudós saját készítésű távcsövével végzett csillagászati megfigyeléseket: a Hold domborzatát tanulmányozta, felfedezte a Jupiter négy holdját, észlelte a napfoltokat.
A mikroszkóp felépítése
A mikroszkóp optikai része két gyűjtőlencséből áll, melyeket egy hengeres csőbe, a mikroszkóp tubusába helyeznek el. Az első lencse a tárgylencse vagy objektív, amely a fókuszpontja közelébe elhelyezett megvilágított kicsiny (t) tárgyról nagyított valódi (K1) képet alkot. A második lencsével – a szemlencsével vagy okulárral –, mint egyszerű nagyítóval, tulajdonképpen ezt a valódi képet nézzük. A kapott kép látszólagos (K2) és nagyított lesz.
 A mikroszkóp képalkotásának vázlatos rajza és egy XVII. századi mikroszkóp képe

A mikroszkóp képalkotásának vázlatos rajza és egy XVII. századi mikroszkóp képe

A teljes nagyítást a két lencse nagyításainak szorzata adja N=NtNsz. A szokásos nagyítási értékek a tárgylencsénél 100–200-szoros, a szemlencsénél pedig 10–20-szoros. Így a mikroszkóppal elérhető teljes nagyítás 1000–2000-szeres lehet.
A mikroszkóp maximális felbontásának nevezzük annak a legkisebb szakasznak a hosszát, amelynek a végpontjaiban lévő két pont még különállónak látszik a mikroszkóp látómezőjében. Ha szabad szemmel való nézéskor ez a távolság kb. 0,1 mm, akkor a mikroszkóppal vizsgált tárgy esetében ez kb. 1000-szer kisebbnek, azaz 0,1 mm-nek felel meg.
A fénymikroszkóp nagyításának korlátlan növelésére nincs lehetőség. A fénymikroszkóp felbontóképességének ugyanis határt szab a látható fény hullámhosszának nagyságrendje (0,4–0,8 mm). Ha ennél kisebb méretű objektumot világítunk meg látható fénnyel, akkor az ebbe a nagyságrendbe eső fényhullámok nem tudják részleteiben letapogatni a megvilágított objektumot, a hullámelhajlás miatt arról csak elmosódott képet alkot a mikroszkóp két lencséje.
 Kepler-féle csillagászati távcső sugármenetének vázlatos rajza

Kepler-féle csillagászati távcső sugármenetének vázlatos rajza

 Tükrös távcső vázlatos rajza Newton-féle elrendezésben. Hasonlítsuk össze a Kepler-féle távcsővel!

Tükrös távcső vázlatos rajza Newton-féle elrendezésben. Hasonlítsuk össze a Kepler-féle távcsővel!

A Kepler-féle csillagászati távcső
A Kepler-féle távcsőben használt két gyűjtőlencse elrendezése olyan, hogy a D átmérőjű f1 fókusztávolságú tárgylencse F1 fókuszpontja egybeesik a d átmérőjű f2 fókusztávolságú szemlencse F2 fókuszpontjával, így a távcső tubusának hossza L = f1 + f2 lesz. A tárgylencse a fókuszsíkjában kicsinyített valódi képet állít elő a megfigyelt távoli égitestről. Ezt a képet szemléljük a d átmérőjű, f2 fókusztávolságú szemlencsével mint egyszerű nagyítóval.
Ha a távcsővel közeli, kiterjedt égitesteket pl. a Holdat figyeljük meg, akkor az valóban nagyobbnak látszik. Ha viszont a megfigyelt tárgy egy igen távoli, pontszerűnek látszó csillag, akkor azt távcsővel figyelve továbbra is pontszerűnek, de sokkal fényesebbnek látjuk, mivel a D átmérőjű tárgylencse sokkal több fényenergiát gyűjt be és továbbít a szemünkbe annál, mintha csak szabad szemmel néznénk. Így a távcsővel azok a nagy távolságban lévő csillagok is láthatóvá válnak, melyeket szabad szemmel nem láthatunk meg.
 Egy csillagászati távcső 8 méter átmérőjű tükre

Egy csillagászati távcső 8 méter átmérőjű tükre

A Tükrös távcsövek felépítése
Ahhoz, hogy fokozzuk a távcsövek nagyítását és egyben fénybegyűjtő képességét, egyre nagyobb átmérőjű és fókusztávolságú, nagyon jó minőségű lencséket kellene készíteni. Ez számos technikai problémával jár. A modern, nagyteljesítményű távcsövekben ezért lencse helyett tükröt alkalmaznak (mivel nagyméretű homorú tükröt könnyebb készíteni, mint lencsét). A távoli égitestről a homorú tükör a fókuszsíkjának közelében valódi kicsinyített képet alkot, amelyet egy síktükör segítségével kivetítünk a távcsőből, és egy egyszerű nagyítóval szemléljük. (Ezt nevezzük Newton-féle elrendezésnek.)
OLVASD EL!
 Földi távcső képfordító prizmával

Földi távcső képfordító prizmával

Földi távcsövek
A csillagászati távcsövek képalkotásánál nem okoz gondot a fordított kép keletkezése, mivel a lent és fent irányoknak nincs szerepe az égi objektumoknál. A földi messzelátóknál (pl. turista távcsövekben) azonban ez zavaró lehet. Ezért különböző képfordító eljárásokat használnak. Egyik lehetséges megoldás a derékszögű képfordító prizma alkalmazása.

 Írásvetítő sugármenetének vázlatos rajza

Írásvetítő sugármenetének vázlatos rajza

Írásvetítő
Napjainkban az iskolai oktatásban, a tudományos konferenciákon, az ismeretterjesztő előadásokon még kedvelt segédeszköz az írásvetítő.
Működési elve lényegében megegyezik a diavetítőével. Mindkét eszköznél a vetítő lencse az átlátszó fóliáról nagyított, fordított állású képet állít elő a rendszerint függőleges ernyőn. Az írásvetítő nagy előnye, hogy a diafilmhez képest jóval nagyobb fóliát lehet vele kivetíteni. Ez a nagyméretű, vízszintes síkban elhelyezett, különleges szerkezetű Fresnel-lencsének köszönhető, amely koncentrikus köröket alkotó vájatokból tevődik össze. A vájatok görbülete megfelel a hagyományos lencsék görbületének. Így a Fresnel-lencse a hagyományos lencséknél sokkal vékonyabb és könnyebb, mégis azokhoz hasonlóan alkalmas a fény összegyűjtésére és a nagyméretű fólia átvilágítására.

 A szem szerkezete és képalkotásának vázlata

A szem szerkezete és képalkotásának vázlata

A szem mint összetett optikai rendszer
A szem olyan összetett optikai rendszernek tekinthető, amelyben lényegében négy törőfelület képezi le a külső tárgyak valódi kicsinyített képét a szemgolyó hátsó falára, az ideghártyára (retinára).
Ezek a törőfelületek kintről befelé haladva:
a szaruhártya kívül domború, belül homorú felületei,
a szemlencse domború felületei.
Az üvegtestben gyakorlatilag nem törik meg a fény.
A szem teljes törőképessége 40–50 dioptria körüli érték.
Ahhoz, hogy egy lencse vagy lencserendszer éles képet állítson elő, vagy a tárgytávolságot kell állítani (ez történik a diavetítőnél és az írásvetítőnél), vagy a képtávolságot (ez a fényképezőgépeknél alkalmazott eljárás). A szemnél ez másként valósul meg: itt az éles képet a szem fókusztávolságának változtatásával érjük el oly módon, hogy a szemlencséhez kapcsolódó izmok segítségével a szemlencse deformálódik, és így a görbületi sugarak változtatásával változik a szemlencse törőképessége és a szem fókusztávolsága. A szemnek ezt a távolsághoz való alkalmazkodását latinul akkomodációnak nevezik.

A közel- és távollátó szem hibáinak „javítása”
A közel- és távollátó szem hibáinak „javítása”
Ha távoli tárgyakat szemlélünk, akkor a szemlencse laposabb, ha pedig közeli tárgyakat, akkor domborúbb lesz. Az egészséges szem így mintegy 10 dioptriával tudja változtatni törőképességét.
Ha a szemlencse görbülete eleve nem megfelelő, vagy ha anyaga idősebb korban rugalmatlanabbá válik, akkor a tárgytávolság változásához nem képes alkalmazkodni. Ekkor beszélünk rövidlátásról vagy távollátásról. Szemüveg vagy kontaktlencse alkalmazásával a rövidlátásnál szórólencsével, a távollátásnál pedig gyűjtőlencsével segíthetünk a szem hibáján.
A szemhiba-korrekciót a szaruhártyára helyezett vékony hajlékony kontaktlencsével is meg lehet oldani. Újabban végeznek olyan lézeres látásjavító műtéteket is, ahol lézersugárral korrigálják a szaruhártya görbületét.
A külső megvilágítástól függően változik a szem fényrekeszének, a pupillának a mérete (1–8 mm). Ezzel biztosítható – bizonyos határok között – az érzékeny ideghártya védelme az erős fénysugárzás ellen.
A távcsövek szerepe a csillagászatban
A távcsövek tárgyalásánál láthattuk, hogy a csillagászati megfigyeléseknél a távcsöveknek nem az az elsődleges feladata, hogy az objektum (a csillag) nagyított képét állítsák elő – hiszen a hatalmas távolságok miatt a távcsövön keresztül megfigyelt csillagok továbbra is pontszerűnek látszanak –, hanem az, hogy a csillagról a szemünkbe jutó fényenergiát megnöveljék. Ha több fény jut a szemünkbe, akkor a megfigyelt csillag fényesebbnek látszik, így jobban tanulmányozhatjuk az objektum viselkedését, tulajdonságait. Másfelől így a távcsövekkel olyan csillagokat is észlelhetünk, amelyeket szabad szemmel már egyáltalán nem láthatnánk, mivel a távcső nélküli megfigyeléskor a csillagról olyan kevés fényenergia jutna a szemünkbe, amely már nem hozna létre látásérzetet. Így a távcsövekkel megnövelhetjük a belátható Világegyetem határait. Ebben rejlik a csillagászati távcsövek jelentősége az Univerzum kutatásánál.
Nézzünk egy konkrét példát: vegyünk egy egyszerű, amatőr csillagászok által is használatos D = 1–8 cm átmérőjű objektív lencsével rendelkező Kepler-féle távcsövet. A lencserendszer megfelelő elrendezése esetén az objektívon keresztül kb. 100-szor több fény jut a szemünk retinájára, mintha csak az 1–8 mm átmérőjű pupillánk gyűjtené be a csillagfényt. Így egy adott csillag 100-szor fényesebbnek látszik. Másrészt 10-szer akkora távolságban is észlelhetünk csillagot a világűrben, mint szabad szemmel (figyelembe véve, hogy a szemünkbe jutó fényenergia 1r2 szerint csökken a csillag tőlünk mért r távolságának függvényében), ezért a távcsövünkkel megfigyelhető csillagok száma – azonos csillagsűrűséget feltételezve – 10·10·10, azaz 1000-szer annyi lesz, mint amennyit szabad szemmel láthatnánk. Így az egyszerű és viszonylag könnyen beszerezhető vagy megépíthető távcsövünkkel pásztázva a derült csillagos égboltot, azon sokkalta több és fényesebb csillagot láthatunk, mint szabad szemmel.
A világ egyik legnagyobb objektívátmérőjű távcsöve Chicagóban található D = 102 cm értékkel. Ezzel kb. 170-szer távolabbra lehet látni, mint szabad szemmel, és így mintegy 5-6 milliószor több csillagot figyelhetünk meg. A legnagyobb tükrös távcső a Hawaii-szigeteken található, 10 m átmérőjű tükörrel.
Ma már a világűr kutatására az űrállomásokra is telepítenek távcsöveket, hogy a földi légkör zavaró hatását kiküszöböljék. 1990-ben az amerikai Hubble-űrtávcsövet helyezték ki a világűrbe a Discovery űrrepülőgép segítségével. A távcső tükrének átmérője 2,4 m.
Leckéhez tartozó extrák

Optikai eszközök

Az optikai eszközöket széleskörben használjuk a mikroszkóptól a távcsőig.

A fénymikroszkóp

Egy eszköz, amely több százszoros nagyításra is képes. Vajon hogyan használjuk?

Optikai távcsövek

A csillagászatban alkalmazott fontosabb lencsés és tükrös távcsöveket mutatja be az animáció

Szem képalkotása

Közelre és távolra nézéskor a szemlencse domborúsága változik, ez biztosítja az éles látást.

Szem képalkotása

Közelre és távolra nézéskor a szemlencse domborúsága változik, ez biztosítja az éles látást.

Látáskorrigálás

A rövidlátás és a távollátás korrigálása homorú, illetve domború lencsével lehetséges.

Optikai eszközök

A fénymikroszkóp

Optikai távcsövek

Szem képalkotása

Szem képalkotása

Látáskorrigálás

Kosárba helyezve!