Творческая работа по астрономии. презентация

от сферической и хроматической аберраций.

Содержание

удовлетворительное изображение, необходимо иметь объектив, состоящий из двух оптических стёкол хорошего качества, разной по знаку оптической силы и несколько отличающихся по своим преломляющим свойствам.
Конечно, лучше всего приобрести готовый объектив диаметром 8 — 12 см, обладающий хорошими оптическими качествами. Но если объектив достать невозможно, то придётся приобретать подходящие оптические стёкла (линзы) для самодельного его изготовления. Подобрать такие стёкла довольно трудно, как, впрочем, трудно и изготовить из них сам объектив. Но для начальных наблюдений не нужны линзы большого диаметра; вполне подходят линзы диаметром от 6 до 12 см, наборы которых часто продаются в магазинах наглядных пособий, учебного оборудования и магазинах оптики. Главное — подобрать подходящие линзы.
Каждая линза, помимо диаметра, характеризуется оптической силой D, т. е. величиной, обратной фокусному расстоянию F линзы, выраженному обязательно в метрах: D=1/F.
В этой формуле F измеряется в метрах, а оптическая сила D — единицей измерения, называемой диоптрией.
Выпуклые (увеличивающие, собирающие) линзы имеют положительную оптическую силу, а вогнутые (уменьшающие, рассеивающие) линзы — отрицательную.

У каждой линзы есть свои недостатки, главным образом сферическая и хроматическая аберрация. Первая состоит в том, что параллельные световые лучи, прошедшие сквозь линзу не сходятся идеально в одной точке, вследствие чего изображение предметов несколько размывается. Хроматическая аберрация состоит в разложении белого цвета в линзе на составные, разноцветные лучи, вследствие чего изображение получается окрашенным. Обе аберрации увеличиваются с увеличением оптической силы линзы, т. е. увеличением кривизны её поверхностей, но могут быть уменьшены соответствующей комбинацией из собирающей и рассеивающий линз. Поэтому не стоит выбирать линзы с большой оптической силой. Для самодельного рефрактора более всего подходит собирающая линза с оптической силой от +0,5 до +2,5 (не более) диоптрии, к которой подбирается рассеивающая линза такого же диаметра, но несколько отличающаяся величиной оптической силы.
Оптическая сила выпуклой линзы легко определяется опытным путём. В солнечный день с помощью линзы получим изображение Солнца на экране. Когда пятнышко на экране достигнет минимального размера, узнаем расстояние от линзы до экрана. Это расстояние и будет фокусным расстоянием линзы.
Рассеивающая линза к объективу подбирается такая, чтобы на её вогнутую поверхность ложилась без зазоров выпуклая линза. Лучшими для удачной комбинации являются плоско-вогнутые линзы.

Содержание

из таких линз, при которой фокусное расстояние системы не превышает 1,5 метра и чёткое изображение предметов свободно от радужной окраски. Это достигается при диаметре линз не превышающем 12 см, реже — 15 см, а, как правило, при диаметре близком к 8 см. При диаметре, превышающем 12 см, требуется сложная специальная шлифовка поверхностей, что далеко не всегда выполнимо силами любителей.
Бывает трудно подобрать для объектива трубы комбинацию подходящих линз. Тогда приходится довольствоваться объективом из одной двояковыпуклой линзы диаметром от 2 до 6 см и оптической силы от +0,5 до +1 диоптрии.

Подбор рассеивающей линзы осуществляется тем же приёмом, что и выпуклой линзы, т.е. получением изображение Солнца на экране уже с помощью комбинации обеих линз, причём к Солнцу должна быть обращена выпуклая линза. Готовая схема будет выглядеть примерно вот таким образом:

Содержание

пропорциональна площади объектива: чем больше площадь, тем больше прибор собирает света и тем более слабые объекты видны. На самом деле возможность фиксировать слабый световой сигнал зависит от уровня фона, на котором он проявляется. По это причине, например, звёзды не видны днём, хотя и излучают столько же света, что и ночью. Яркий фон дневного неба «забивает» их свет. Световые помехи, хотя и небольшие, имеются и ночью. Поэтому реальная проницающая сила телескопа ниже теоретической. При наличии фона (помех) она растёт пропорционально диаметру (а не площади), что уменьшает выгоду от увеличения диаметра объектива.

Для качества изображения очень важно отношение диаметра объектива D к его фокусному расстоянию F, называемому относительным отверстием: . Взяв два объектива с одинаковыми диаметрами , но разными фокусными расстояниями, мы получим два изображения небесного тела разных размеров. Но количества света, попавшего в каждое из них, одинаково, так что освещённость большего изображения будет меньше.
Если мы хотим, увеличивая размер изображения, сохранить его освещённость, придётся одновременно с увеличением фокусного расстояния объектива увеличивать и его диаметр.
При однолинзовом объективе относительное отверстие не должно превышать 1:20, а при двухлинзовом — 1:15. Если же не удаётся подобрать линзы соответствующего диаметра, то можно использовать линзу большего диаметра, но её рабочую поверхность следует уменьшить (диафрагмировать) до нужного диаметра наложением картонной диафрагмы. Подходящая диафрагма подбирается опытным путём из набора нескольких диафрагм разных диаметров. Наилучшей считается та, при которой отсутствует радужная окраска изображения предметов.

Многие считают, что самая главная характеристика телескопа — его увеличение: чем оно больше, тем больше в телескоп можно увидеть. Это не совсем так: ценность инструмента определяется в первую очередь размерами его объектива. Важнее всего собрать как можно больше света от изучаемого небесного тела.
Все предметы отражают или излучают свет. Часть его попадает на зрачок глаза, проходит внутрь и вызывает ощущение света. Если света мало, предмет виден плохо или не виден вообще. Если каким либо образом увеличить количество света, попадающего в глаз, видимость можно улучшить.
Диаметр объектива телескопа гораздо больше, чем зрачок, и собирает намного больше света. Это позволяет регистрировать очень слабые звёзды и другие светила — в 100 миллионов раз слабее, чем видимые невооружённым глазом.
При наблюдении небесных тел невооружённым глазом существует и другая трудность. Посмотрев на Луну, мы видим на её поверхности тёмные пятна. Сказать что-либо о их природе по внешнему виду довольно трудно, хочется разглядеть более мелкие детали. Однако простому глазу это недоступно, несмотря на достаточное количество света. Понятно, что, если бы видимый размер Луны был гораздо больше, мы смогли бы рассмотреть её подробнее. Пользуясь научной терминологией, мы скажем: «Угол, под которым видна Луна, слишком мал». Самый простой способ увеличить угол, под которым виден предмет — это приблизится к нему.

Итак, телескоп нужен для того, чтобы, во-первых, увеличить количество света, приходящего от небесного тела, а во-вторых, чтобы дать возможность изучить более мелкие детали наблюдаемого объекта. Способность телескопа показывать (или регистрировать с помощью приборов) слабые звёзды называется проницающей силой, а способность различать мелкие детали — разрешающей силой. Рассмотрим, от чего зависят эти характеристики телескопа.

Содержание

важная характеристика телескопа, такая как поле зрения. Одна фотография на телескопе с большим полем зрения показывает много небесных тел. Но надо позаботиться о том, чтобы и в центре поля зрения, и на его краю изображения звёзд были резкими. Для этого приходится строить специальные телескопы, объектив которых состоит из линзы и зеркала. Такими телескопами являются телескопы Шмидта и Максутова. Они применяются для фотографирования неба. Размер поля зрения у этих инструментов 5º — 6º при хорошем качестве изображений. У больших телескопов-рефлекторов поле не превышает, как правило, 1º. Для сравнения диаметр луны на небе около 0,5º.

Как известно оптическая схема трубы состоит не только из объектива, но и из окуляра, который имеет своё фокусное расстояние f. Угловой размер изображения в телескопе больше углового размера объекта на небе. Отношение этих углов называется увеличением телескопа. Оно равно: N= α1/α2 ≈FОбъектива/fокуляра.
Таким образом, отношение FОбъектива/fокуляра даёт увеличение трубы, но это отнюдь не означает, что можно получать сколь угодно большие увеличения за счёт применения окуляров с малыми фокусными расстояниями. Свойства однолинзового объектива позволяют применять увеличение в лучшем случае в 100 раз, а, как правило, в зависимости от состояния земной атмосферы, приходится применять увеличения около 50 — 80 раз. В соответствии с этим следует подобрать двояковыпуклые линзы для окуляров. Так, при F=1 м и F=2 м в качестве окуляров рекомендуются двояковыпуклые линзы с фокусными расстояниями f, равными 50 мм, 25 мм и 20 мм, которые дают увеличения от 20 до 100 раз. Можно применять окуляры от микроскопа, если они дают допустимое увеличение.
Окуляр использовать необязательно. Можно поставить в фокусе приёмник света, например фотопластинку. И в этом случае, чем больше фокусное расстояние объектива, тем крупнее будет изображение.

Теперь поговорим о разрешающей способности телескопа. Изображение звезды, построенное телескопом, имеет определённый размер. Если расстояние между изображениями двух звёзд меньше, чем их размер, они сольются и увидеть их раздельно будет невозможно. Разрешающая способность определяется тем, насколько малое изображение светящейся точки строит объектив телескопа. Таким образом, показателем качества объектива является размер изображения светящейся точки: чем он меньше, тем лучше. Астрономы характеризуют размер изображения величиной угла, под которым оно видно из центра объектива.
Можно теоретически определить минимальный размер изображения светящейся точки, которое строит объектив. Выраженный в секундах дуги он равен: α=206265×λ/d, где λ — длина волны в метрах, а d — диаметр объектива, также в метрах.

Содержание

главную трубу телескопа (позиция 2). Это можно сделать, наматывая листы на уже готовую оправу и обильно промазывая клеем внутреннюю поверхность бумаги. При этом нужно следить, чтобы бумага не перекашивалась. Длина трубы должна быть немного (на 150 — 200 мм) меньше фокусного расстояния объектива. Подвижная трубка (позиция 3) служит для фокусировки, т. е. для совмещения фокальных плоскостей объектива и окуляра. Она должна легко двигаться "на трении", но не болтаться. Ее склеиваем из ватмана аналогично главной трубе нашего телескопа.

Оправу окуляра, конструкция которой будет зависеть от того, что мы применим для этой цели, можно вставить непосредственно в подвижную трубку, но лучше, особенно если диаметр окуляра мал, сделать несложный фокусировочный узел. Основой узла будет служить кольцо из двух — трех слоёв толстого картона или нескольких слоёв ватмана. Узел работает "на трении", и конструкция его ясна из чертежа (позиция 4).
Передвижением подвижной трубки телескопа грубо совмещаются фокальные плоскости объектива и окуляра (при этом одну и ту же трубу можно использовать с разными объективами), а окулярный узел позволяет добиться точной фокусировки.

Начинать лучше всего с изготовления оправы объектива (см. схему позиция 1), диаметр которой, а, следовательно, и диаметр трубы, будет зависеть от размера приобретенного очкового стекла. Оправой будет служить трубка, склеенная из ватмана в несколько слоев. Внутренний диаметр оправы должен быть равен диаметру нашей линзы, а длина — 30 — 40 мм. Линза фиксируется двумя бумажными или картонными кольцами, которые плотно вставляются внутрь оправы, зажимая с двух сторон стекло. Оправа должна быть достаточно жесткой.

Содержание

оправ зачернены тушью, и можно приступить к первым испытаниям. Совместив фокальные плоскости объектива и окуляра, и оперев трубу для устойчивости о подоконник, раму окна или другой предмет, попытаемся "навести на резкость" перемещением фокусировочной трубки с окуляром.
Даже при наилучшей фокусировке изображение будет подернуто "дымкой". Это происходит потому, что только центральная часть очкового стекла строит неискаженное изображение.
В моей творческой работе я использовал два объектива и два окуляра. Объектив №1 был сделан по схеме, приведённой на слайде №4, а объектив №2 была одна вогнуто-выпуклая линза. D1=0,75 дптр D2=1,25 дптр.
Окуляр №1, как и №2 была двояковыпуклая линза. D1=16 дптр D2=25 дптр.
Фото №1 было получено с помощью комбинации линз 1.1, фото №2 ― 1.2, фото №3 ― 2.1, фото №4 ― 2.2.
Увеличение на данных фотографиях составляли соответственно Г1=21,(3) Г2=33,(3) Г3=12,8 Г4=20
Теперь проведём тесты на наличие у телескопа хроматической и сферической аберрации.

Содержание

что параллельные лучи прошедшие через линзу не собираются точно в фокусе. В этом легко убедиться посмотрев на снимки слева. Изображение даваемое телескопом несколько размыто. Причём чем ближе к краям линзы, тем размывание заметнее.
Верхняя фотография сделана с увеличением 21,3, а нижняя — 33,3.
Сравнив эти фотографии мы увидим, что сферическая аберрация зависит от применяемого увеличения. Чем оно больше, тем аберрация сильнее.

Содержание

25 дптр. Оптическая же сила объектива составляла в обоих случаях 0,75 дптр. С помощью нехитрых вычислений можно подсчитать, что левая фотография сделана с увеличением Г≈21,3, а правая — с увеличением Г≈33,3

Следующая пара фотографий сделана с помощью тех же окуляров в том же порядке, но оптическая сила объектива составляла уже 1,25 дптр.
Увеличение телескопа составляло Г≈12,8 и Г≈20 соответственно.

Содержание

помощью одинаковых объективов, но разных окуляров, освещённость изображений различается. Это происходит, потому что в объектив попадает одинаковое количество света, а увеличение даваемое разными окулярами также различно. Поэтому освещённость большего изображения оказывается меньше (см. слайд №5).

Если же мы не будем менять окуляр, а поменяем объектив то получим точно такую же ситуацию. С более длиннофокусным объективом мы получаем систему увеличивающую больше, чем с короткофокусным. Соответственно освещённость будет меньше опять-таки у большего изображения, что легко проверить путём сравнивания снимков.

Содержание

увеличение составляет 21,3, а на правом — 33,3. сразу бросается в глаза, что на левом снимке хроматизм гораздо меньше, чем на правом.

Сравнив вторую пару фотографий, на которых увеличение равно 12,8 и 20 соответственно, приходим к выводу, что и здесь хроматическая аберрация больше на правом снимке.

Содержание

отличается более высоким качеством, хотя в начале я говорил, что двухлинзовый объектив даёт изображения более качественные, чем однолинзовые. Таким образом получается расхождение с теорией.
Противоречие возникает из за того, что в объективе №2 линзы прилегают друг к другу только по краям, а в центре между ними остаётся воздушная прослойка. Именно из за этого с объективом № 2 получаются более окрашенные изображения.

Содержание

их технические характеристики.
Сделав свой собственный телескоп и протестировав его я могу дать несколько советов людям, которые также собираются сделать свой телескоп.
Совет первый: не стоит брать для объектива слишком большие линзы. Очень яркого и чёткого изображения Вы всё равно не получите. Вам придётся применять диафрагмы, чтобы избавится от хроматизма.
Совет второй: не стоит применять слишком большие увеличения, так как Вы опять получите слишком окрашенное изображение.
И совет третий: если у вас нет возможности подобрать для объектива подходящие линзы, сделайте однолинзовый объектив. Так как применяя две неподходящие линзы Вы вряд ли получите лучшее изображение, которое вам даст объектив из одной, но качественной линзы.

Содержание

аберрация.
Увеличение.
Освещённость.
Хроматическая аберрация.
Парадокс.
Таблица сравнений.
Вывод.
Телескоп.
Список литературы.

детей Аванта+ Астрономия том 8 (2002 г).