Преломление лучей света, проходящих через линзу

Чудо видения окружающего мира стало возможным благодаря удивительному изобретению природы — линзе.

Представьте, что вы вынесли на свет фотопластинку. Она просто засветилась, и на ней ничего не отобразилось, кроме факта наличия света. Что ж, наличие света — это тоже информация. Дождевому червю её хватает — у него зрительные клетки расположены по всей поверхности тела, что позволяет ему отличать свет от тьмы.

Простейшее устройство для получения изображения, повторяющего форму и цвет источника — это камера-обскура: непрозрачный ящик с отверстием в одной из стенок (в переводе с латыни «камера-обскура» означает «темная комната»). На противоположной стенке камеры получается перевернутое изображение объекта (см. рис. 1). Такое устройство было известно древним грекам и китайцам. Леонардо да Винчи использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры. Природа снабдила некоторых моллюсков глазами, работающими по принципу таких камер.

Рисунок 1. Схема работы камеры-обскуры

Гениальное изобретение — линза: прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линза создает изображение путем преломления лучей: лучи, вышедшие из одной точки предмета, после преломления пересекаются в одной точке изображения. Это изображение можно увидеть на экране (такое изображение называют действительным, см. рис. 2).

Рисунок 2. Схема работы линзы

Иногда пересекаются не сами лучи, вышедшие из одной точки предмета (на рисунке — из верхушки пламени), а их продолжения. Тогда изображение называют мнимым. Его нельзя увидеть на экране, но глаз прекрасно видит мнимое изображение — ему всё равно, на самом деле лучи вышли из одной точки, или только кажутся исходящими из неё. Когда мы рассматриваем предмет через лупу, мы видим его увеличенное мнимое изображение.

Площадь линзы гораздо больше площади отверстия в камере-обскуре, так что света через линзу проходит гораздо больше, и изображение получается ярче. Когда мы получаем изображение солнца с помощью лупы, оно такое яркое, что прожигает дерево. Уже в Древней Греции умели использовать выпуклое стекло для разжигания огня.

В конце XIII века в Европе вошли в употребление очки «для старых» (выпуклые стекла), которые поначалу были очень дорогими и даже упоминались в завещаниях. Изобретение очков было, вероятно, случайным достижением мастеров-стекольщиков — ведь средневековые ученые не знали закона преломления и даже склонялись к мнению, что преломление — это обман зрения. Позже научились делать и «очки для молодых» (выпукло-вогнутые стекла) против близорукости, и тоже, скорее всего, случайно.

Природа, создавая органы зрения, эволюционировала от камеры-обскуры к линзе. Линзами в наших глазах являются и выпуклая роговица, и хрусталик, и шаровое стекловидное тело глаза. Основное преломление происходит на роговице. Зато хрусталик умеет менять свою форму, обеспечивая настройку глаза на разные расстояния (аккомодацию). Радужная оболочка служит диафрагмой, ограничивая диаметр отверстия-зрачка: в темноте зрачок увеличивается, пропуская через хрусталик больше света, на свету — сужается.

На сетчатке глаза, как на фотопластинке фотоаппарата, получается действительное изображение окружающих объектов. Ну а то, что изображение получается перевернутое, нам не страшно: мозг привык учитывать это обстоятельство.

Американский психолог Джордж Стрэттон в 1896 году изготовил специальные очки, переворачивающие изображение, так что на сетчатке глаза изображение окружающих объектов оказывалось прямым. При этом человек видел окружающий мир «вверх ногами». Но через три дня мозг приспосабливался к «перевернутому» миру, и человек снова видел его нормальным. После снятия этих очков мир снова «переворачивался» на некоторое время.

Линзы — главная часть практически всех оптических приборов: микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, видеокамер и прочая, и прочая...