Страница 13 из 16
Ящики с водой были довольно громоздки. Поэтому их всячески пытались уменьшить, придав, например, более компактную форму «барабана».
Первый такой прибор был выпущен в 1873 г. В отлитую из чугуна раму был вмонтирован стеклянный сосуд, наполняемый флюоресцирующей водой и дымом. Установленная на оси сосуда система зеркал направляла в него через боковую стенку тонкий солнечный луч. Сначала он был отчетливо виден в воздухе благодаря рассеянию на частицах дыма. А затем становился виден за счет флюоресценции вещества, растворенного в воде.
Может показаться странным, что в качестве источника света применяли солнце. Но в то время иных достаточно ярких и доступных для школы источников света просто не было, и солнечный свет продолжали использовать в демонстрациях по оптике вплоть до 1910-х годов, пока электрическое освещение не перестало быть редкостью.
А теперь несколько слов об изобретателе, обессмертившем свое имя прибором, который есть в любом кабинете физики.
Все демонстрационные приборы с водой мало того, что неудобны. Они позволяли показать лишь простейшие случаи прохождения света через границу двух сред. Когда же в них пытались показывать ход световых лучей через линзу, то результаты получались невразумительные — объемные пучки световых лучей загораживали друг друга.
Первым на игру красок светящихся жидкостей обратил внимание поэт И.В. Гёте.
Шайба Гартля — первый прибор, позволивший показать ход световых лучей без воды.
Барабан Маха, 1874 г. Дым и вода с флюоросцеином заменили ученым воду с молоком.
Точные измерения, а с них и начинается наука, произвести не удавалось.
Все эти трудности разрешил немецкий изобретатель Гартль. Во-первых, он отказался от воды. Во-вторых, он стал показывать самое сложное, то, что не удавалось никому другому, — ход лучей в линзах, вогнутых зеркалах и составленных из них оптических системах. Но практически ни в одном учебнике их полное изображение не встречается. Для всех пояснений используются лишь их крохотные кусочки, поперечные сечения. Их достаточно, для того чтобы пояснить все, что происходит на целой линзе. Вот Гартль и сделал «революционный» шаг.
Он отказался от обычных линз и вогнутых зеркал, а изготовил из стекла их поперечные срезы (они назывались «хрустальными пластинами»). Боковая поверхность каждого из срезов была сделана матовой, прохождение света через каждую такую модель было прекрасно видно во всех особенностях.
Изготовление срезов обходилось в десятки раз дешевле, чем соответствующей по размерам линзы. Ну а далее изобретатель укрепил на белом плоском диске с угловыми делениями по окружности хрустальную пластину и направил на нее скользящий по поверхности диска луч света.
Оптическая схема из учебника ожила. Стоило приложить линейку, и можно было проследить не только сам луч света, но и место, откуда он как бы появлялся, например, мнимый фокус рассеивающей линзы. В итоге появилась шайба Гартля — прибор, без которого не обходится ни один физический кабинет. А для наблюдения криволинейных лучей света Гартль в 1896 году создал специальный прибор.
Это был плоский застекленный с боков ящик. В него сначала наливали воду, а затем через специальную воронку со шлангом снизу, на дно ящика, аккуратно вводили смесь воды с глицерином. Свет, как вы знаете, распространяется прямолинейно только в однородной среде, где его скорость везде одинакова. Если же среда неоднородна, коэффициент преломления, а значит, и скорость света в ней меняются от точки к точке, и свет выбирает путь, кратчайший по времени, и распространяется криволинейно.
В ящике Гартля свет идет по кривой!
В ящике Гартля скорость света в верхнем слое была больше, чем в нижнем, и луч света, пущенный под небольшим углом к горизонту, выгибался дугой.
Вы можете повторить этот эксперимент, но есть более простой путь.
Заклейте дырки в нижней половинке коробочки от дискет изнутри прозрачным скотчем, налейте воду и добавьте в нее несколько капель молока. Затем включите лазерную указку и пошлите ее луч от стенки до стенки. Обратите внимание: луч в воде совершенно прямой. Аккуратно положите в кювету кусок сахара и подождите 2–3 минуты. Вы увидите, как луч выгнется дугой…
А. ВАРГИН
Рисунки автора
ПОЛИГОН
Компьютер-микроскоп
Почти три столетия ученые работают, прильнув глазом к окуляру микроскопа. Но в последние годы появились микроскопы, оснащенные телекамерой. Пользоваться ими удобнее, чем обычными, а кроме того, на экран можно смотреть не в одиночку, а хоть вдесятером. Когда же микроскопы с телекамерами освоили достаточно хорошо, то выяснили, что у них есть и иные достоинства, но об этом речь впереди.
Телевизионные микроскопы сегодня непомерно дороги, да и в продаже их найти нелегко. Между тем сами по себе телекамеры в наши дни не редкость. Многим знакомы Веб-камеры, с помощью которых по Интернету можно вести разговор и видеть при этом собеседника. Часто встречаются и телекамеры, применяемые в качестве глазка в двери. И те и другие можно использовать для того, чтобы превратить компьютер в микроскоп.
Для наших опытов мы выбрали недорогую Веб-камеру фирмы «Логитех» в сферическом корпусе. Для начала попробовали ее с обычной лупой и легко получили увеличение. Если взять толстое увеличительное стекло от очков, то заметно, что большое увеличение сопровождается значительным искажением формы предмета и появлением на изображении радужной каймы. Лупу можно заменить объективом от фотоаппарата. В этом случае можно получить увеличение более двадцати крат при полном отсутствии искажений.
Казалось бы, камере доступно все, что видит наш глаз. Но попробуйте настроить микроскоп и направить свою телекамеру в окуляр микроскопа, туда, куда обычно смотрит наш глаз. На экране компьютера появится небольшое круглое пятно с очень невнятным изображением.
Попытки решить проблему наскоком, путем смены и разборки окуляров, добавления наугад каких-то линз, ничего не дают. В чем же дело?
Понять наши трудности поможет схема хода световых лучей в микроскопе, взятая из довольно редкого справочника Н.И. Кошкина «Элементарная физика» (Москва, 1991 г.). Здесь в отличие от многих других схем показан полный ход лучей — от точки на предмете до точки на сетчатке глаза. В нашем случае роль глаза будет выполнять телекамера (ее объектив — это как бы хрусталик глаза), а светочувствительная ПЗС-матрица камеры исполняет роль сетчатки.
Как можно понять из схемы, очень важно различие фокусных расстояний глаза и камеры. У глаза оно принимается равным 50 мм, а у обычных телекамер лежит в пределах от 6 до 12 мм. Поэтому большая часть лучей, идущих от точек предмета, обходят объектив камеры и на ее матрицу попадает лишь часть изображения. Для того чтобы все лучи попали в объектив камеры, нужно либо уменьшить фокусное расстояние окуляра, либо увеличить фокусное расстояние объектива камеры. И то и другое требует сложного расчета и специального подбора линз. Добавим к этому, что в описаниях телекамер параметры объективов не сообщаются, а зачастую определить их самостоятельно довольно трудно.