W budowie
Pomiń nawigację
Kąt widzenia, lupa, mikroskop optyczny, luneta Keplera i aparat fotograficzny

Moduł 10 — Przyrządy optyczne: lupa, mikroskop, luneta i aparat — kurs Optyka (kurs podstawowy)

Moduł 10 kursu Optyka: Kąt widzenia i powiększenie kątowe, zasada działania lupy, mikroskopu optycznego, lunety astronomicznej i aparatu fotograficznego. Bieg promieni, układy dwusoczewkowe i praktyczne obliczenia.

  • 45 min
  • 23 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 3 minCzego nauczysz się w tym module? Zrozumiesz, czym jest kąt widzenia i dlaczego decyduje on o rozmiarze obrazu powstającego…
  2. 4 min1. Kąt widzenia i zdolność rozdzielcza oka Kąt widzenia to kąt zawarty między skrajnymi promieniami świetlnymi biegnącymi od…
  3. 4 min2. Lupa — najprostszy przyrząd powiększający Obserwowany drobny przedmiot (np.
  4. 7 min3. Mikroskop optyczny — potęga dwóch soczewek Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu ($p_{\text{ob}}$) i…
  5. 4 min4. Luneta astronomiczna (teleskop Keplera) i lornetka Ma bardzo dużą ogniskową (np.
  6. 7 min5. Aparat fotograficzny vs ludzkie oko Geografia: zdjęcia lotnicze i satelitarne powstają w ognisku obiektywu, a ich skala…
  7. 4 min6. Przykłady obliczeniowe krok po kroku Krok 1: Obliczenie ogniskowej $f$.
  8. 4 min7. Interaktywny symulator przyrządów optycznych teza, kod i pytanie kontrolne
  9. 4 min8. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe Ile wynosi zdolność skupiająca tej soczewki w dioptriach?
  10. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 10 · ~3 min

Czego nauczysz się w tym module?

Optyka — kurs podstawowy › Blok III: Układy optyczne, oko i barwy

  • Zrozumiesz, czym jest kąt widzenia i dlaczego decyduje on o rozmiarze obrazu powstającego na siatkówce oka.
  • Wyjaśnisz zasadę działania lupy , określisz cechy tworzonego przez nią obrazu i obliczysz jej powiększenie ze wzoru $\gamma = \frac{d}{f}$.
  • Przeanalizujesz dwustopniowy układ mikroskopu optycznego (obiektyw tworzący obraz rzeczywisty + okular działający jak lupa) oraz obliczysz powiększenie całkowite $p =…
  • Poznasz budowę i bieg promieni w lunecie astronomicznej (teleskopie Keplera) oraz rolę pryzmatów w ziemskich lornetkach.
Sprawdzenie · atom 1 · ~1 min

Pytanie do klasy

Jaki jest minimalny kąt widzenia, przy którym zdrowe oko rozróżnia dwa punkty jako osobne?

Atom 2 z 10 · ~4 min

1. Kąt widzenia i zdolność rozdzielcza oka

Dlaczego samolot pasażerski o długości 70 metrów lecący na wysokości przelotowej wydaje się nam mniejszy od mrówki wędrującej po naszym biurku? O tym, jak duży przedmiot widzimy, nie decydują jego rzeczywiste wymiary w metrach, lecz kąt…

  • Kąt widzenia to kąt zawarty między skrajnymi promieniami świetlnymi biegnącymi od wierzchołka i podstawy obserwowanego przedmiotu do środka optycznego soczewki naszego…
  • Granica ludzkiego oka — zdolność rozdzielcza: Abyśmy widzieli dwa sąsiadujące punkty (np.
  • dwie gwiazdy na niebie lub dwie kropki w druku) jako oddzielne obiekty, a nie jedną zamazaną plamę, ich obrazy na siatkówce muszą paść na co najmniej dwa różne czopki…
  • Z odległości dobrego widzenia ($d = 25\text{ cm}$) oznacza to, że gołym okiem nie rozróżnimy szczegółów mniejszych niż około $0{,}07\text{--}0{,}1\text{ mm}$ .
Sprawdzenie · atom 2 · ~1 min

Pytanie do klasy

Jaki jest minimalny kąt widzenia, przy którym zdrowe oko rozróżnia dwa punkty jako osobne?

Atom 3 z 10 · ~4 min

2. Lupa — najprostszy przyrząd powiększający

Lupa to pojedyncza, mocna soczewka skupiająca o małej ogniskowej (zwykle $f$ od $2\text{ cm}$ do $10\text{ cm}$).

  • Obserwowany drobny przedmiot (np.
  • znaczek, owada, monetę) umieszczamy pomiędzy ogniskiem a soczewką lupy ($x < f$), blisko ogniska $F$.
  • Jak wiemy z konstrukcji optycznych w Module 07, w takim położeniu soczewka skupiająca wytwarza obraz o cechach: • Pozorny (powstaje po tej samej stronie co przedmiot, z…
  • Przykład: Lupa o ogniskowej $f = 5\text{ cm} = 0{,}05\text{ m}$ (czyli $Z = 20\text{ D}$) daje powiększenie:
Dlaczego lupa nie wystarcza do obserwacji bakterii?
Aby uzyskać powiększenie $1000\times$, lupa musiałaby mieć ogniskową $f = \frac{0{,}25\text{ m}}{1000} = 0{,}25\text{ mm}$! Taka soczewka musiałaby być mikroskopijną szklaną kuleczką o gigantycznych wadach optycznych (aberracja sferyczna i chromatyczna), przez którą niemal nie dałoby się patrzeć. Dlatego do dużych powiększeń stosuje się układy wielosoczewkowe — mikroskopy!
Sprawdzenie · atom 3 · ~1 min

Pytanie do klasy

Gdzie należy umieścić przedmiot pod lupą?

Atom 4 z 10 · ~7 min

3. Mikroskop optyczny — potęga dwóch soczewek

Mikroskop optyczny składa się z dwóch niezależnych układów soczewek skupiających osadzonych na końcach tubusu:

  • Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu ($p_{\text{ob}}$) i powiększenia okularu ($p_{\text{ok}}$):
  • Przykład: Jeśli w rewolwerze mikroskopu wybierzesz obiektyw o powiększeniu $40\times$, a w tubusie znajduje się okular $10\times$, całkowite powiększenie obserwowanego…
  • Biologia: mikroskop optyczny pozostaje podstawowym narzędziem cytologii i histologii.
  • Dzięki niemu można obserwować komórki, chloroplasty i podziały mitotyczne, choć granica rozdzielczości około $0{,}2\ \mu\text{m}$ nadal ogranicza obraz pojedynczych…
Zestawienie · atom 4 · ~3 min

3. Mikroskop optyczny — potęga dwóch soczewek

Mikroskop optyczny składa się z dwóch niezależnych układów soczewek skupiających osadzonych na końcach tubusu:

Element Położenie i cechy soczewki Rola optyczna i cechy obrazu
Obiektyw (objective) Soczewka skupiająca o bardzo małej ogniskowej ($f_{\text{ob}}$ rzędu kilku milimetrów). Znajduje się tuż nad preparatem. Preparat umieszcza się tuż za ogniskiem ($f_{\text{ob}} < x < 2f_{\text{ob}}$). Obiektyw tworzy wewnątrz tubusu obraz pośredni: rzeczywisty, odwrócony i bardzo powiększony!
Okular (eyepiece) Soczewka skupiająca o nieco większej ogniskowej ($f_{\text{ok}}$ rzędu kilkunastu milimetrów), w którą patrzy obserwator. Działa jak lupa! Obraz z obiektywu wpada przed ognisko okularu ($x' < f_{\text{ok}}$). Okular dodatkowo go powiększa, dając ostateczny obraz: pozorny, odwrócony (względem preparatu) i ogromnie powiększony.
Sprawdzenie · atom 4 · ~1 min

Pytanie do klasy

Jaki obraz preparatu tworzy obiektyw mikroskopu?

Atom 5 z 10 · ~4 min

4. Luneta astronomiczna (teleskop Keplera) i lornetka

Podczas gdy mikroskop powiększa obiekty miniaturowe leżące tuż przed nami, luneta (teleskop) służy do powiększania kąta widzenia obiektów olbrzymich, lecz leżących w niewyobrażalnie wielkich odległościach (np. Księżyc, planety, statki na…

  • Ma bardzo dużą ogniskową (np.
  • $F_{\text{ob}} = 800\text{--}1200\text{ mm}$) i jak największą średnicę (aperturę), by zebrać mnóstwo światła odległych gwiazd.
  • Ma bardzo małą ogniskową (np.
  • $f_{\text{ok}} = 10\text{--}25\text{ mm}$).
Sprawdzenie · atom 5 · ~1 min

Pytanie do klasy

Powiększenie kątowe lunety Keplera opisuje wzór:

Atom 6 z 10 · ~7 min

5. Aparat fotograficzny vs ludzkie oko

Współczesny aparat fotograficzny i ludzkie oko opierają się na dokładnie tych samych fundamentalnych zasadach optyki geometrycznej:

  • Geografia: zdjęcia lotnicze i satelitarne powstają w ognisku obiektywu, a ich skala zależy od wysokości lotu i ogniskowej.
  • Kartografowie wykorzystują tę zależność do tworzenia map, na których jeden centymetr odpowiada setkom metrów w terenie.
  • W smartfonie z trzema obiektywami jeden ma krótką ogniskową i szerokie pole widzenia, drugi jest standardowy, a trzeci — teleobiektywem.
  • W poprzedniej sekcji luneta powiększała odległe obiekty, a jej obraz był odwrócony.
Zestawienie · atom 6 · ~3 min

5. Aparat fotograficzny vs ludzkie oko

Współczesny aparat fotograficzny i ludzkie oko opierają się na dokładnie tych samych fundamentalnych zasadach optyki geometrycznej:

Funkcja Oko ludzkie Aparat fotograficzny
Układ skupiający światło Rogówka + biologiczna soczewka oka Obiektyw (zespół soczewek korygujących wady optyczne)
Regulacja ilości światła Tęczówka ze zmienną źrenicą (adaptacja) Przysłona mechaniczna (apertura $f/2{,}8$, $f/8$ itd.)
Detektor obrazu Siatkówka (czopki i pręciki) Elektroniczna matryca światłoczuła CMOS / CCD
Mechanizm nastawiania ostrości Akomodacja: zmiana kształtu (ogniskowej $f$) soczewki przy stałej odległości od siatkówki ($y = \text{const}$) Przesuw obiektywu: zmiana odległości soczewek od matrycy ($y$) przy stałej ogniskowej soczewek
Cechy obrazu Rzeczywisty, odwrócony, pomniejszony Rzeczywisty, odwrócony, pomniejszony
Sprawdzenie · atom 6 · ~1 min

Pytanie do klasy

Jak aparat fotograficzny ustawia ostrość na bliższy przedmiot?

Atom 7 z 10 · ~4 min

6. Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść: Zegarmistrz naprawia precyzyjny mechanizm zegarka za pomocą lupy o zdolności skupiającej $Z = +25\text{ D}$. Oblicz ogniskową tej lupy oraz powiększenie kątowe, jakie uzyskuje zegarmistrz przy standardowej odległości dobrego…

  • Krok 1: Obliczenie ogniskowej $f$.
  • Z definicji zdolności skupiającej $Z = \frac{1}{f}$: $$f = \frac{1}{Z} = \frac{1}{25\text{ D}} = 0{,}04\text{ m} = 4\text{ cm}$$
  • Krok 2: Obliczenie powiększenia kątowego $\gamma$.
  • Podstawiamy $d = 25\text{ cm}$ oraz $f = 4\text{ cm}$: $$\gamma = \frac{d}{f} = \frac{25\text{ cm}}{4\text{ cm}} = 6{,}25\times$$ (Można też skorzystać ze wzoru $\gamma…
Sprawdzenie · atom 7 · ~1 min

Pytanie do klasy

Lupa ma $Z=+25\text{ D}$. Jaka jest jej ogniskowa?

Symulacja · atom 8 · ~3 min

7. Interaktywny symulator przyrządów optycznych

Sprawdzenie · atom 8 · ~1 min

Pytanie do klasy

W trybie lupy chcesz uzyskać powiększony, prosty i pozorny obraz. Suwak położenia przedmiotu ustawiasz:

Atom 9 z 10 · ~4 min

8. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe

Kolekcjoner znaczków pocztowych używa lupy o ogniskowej $f = 2{,}5\text{ cm}$.

  • Ile wynosi zdolność skupiająca tej soczewki w dioptriach?
  • Jakie powiększenie kątowe $\gamma$ daje ta lupa przy odległości dobrego widzenia $d = 25\text{ cm}$?
  • W jakiej odległości od lupy kolekcjoner musi trzymać znaczek, aby widzieć jego powiększony, prosty obraz?
  • Zdolność skupiająca: $$Z = \frac{1}{f} = \frac{1}{0{,}025\text{ m}} = +40\text{ D}$$
Sprawdzenie · atom 9 · ~1 min

Pytanie do klasy

Lupa ma ogniskową $2{,}5\text{ cm}$. Jej zdolność skupiająca wynosi:

Zamknięcie · ~2 min

Co zabrać z lekcji

  • Zrozumiesz, czym jest kąt widzenia i dlaczego decyduje on o rozmiarze obrazu powstającego na siatkówce oka.
  • Przykład z biologii.
  • Matematyka: powiększenie kątowe to stosunek tangensów kątów, a dla małych kątów można zastąpić tangens samym kątem.
  • Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu ($p_{\text{ob}}$) i powiększenia okularu ($p_{\text{ok}}$):
Bilet wyjściowy: Portret z odległości $3\text{ m}$ obiektywem o $f=50\text{ mm}$: gdzie względem ogniskowej leży fotografowana osoba?
Odpowiedź: c) $x>2f$