Материал к уроку

Оптические приборы

История создания

Уже древние римляне обратили внимание на «увеличивающую силу» сосуда, наполненного водой. Они знали, что через него на солнце можно обжечься, зажечь огонь, хотя вода в нем не закипает.

Около 400 лет назад искусные мастера Италии и Голландии научились делать очки. Изобрел их безвестный стекольный мастер. Итальянские мастера в эту эпоху славились искусством шлифования стекла. Вслед за очками изобрели лупы для рассматривания мелких предметов. Это было очень интересно и увлекательно: вдруг увидеть во всех подробностях какое-нибудь просяное зернышко или мушиную ножку!

А изобретение зрительной трубы уходит в область сказочных преданий. Согласно одной магометанской легенде, на Александрийском маяке находилось огромное зеркало, при помощи которого можно было видеть корабли, отплывавшие из Греции. Однако вследствие кривизны Земли корабли были видны с этого маяка уже будучи довольно далеко от Греции. Если верить этому преданию, то можно предположить, что там использовалась комбинация большого вогнутого зеркала с линзой.

Любители оптики, усердно занимавшиеся изучением изображений, получающихся с помощью зеркал и линз, конечно, не могли не натолкнуться на мысль соединять несколько зеркал и линз, чтобы получать изображения. Из таких комбинаций постепенно получались труба и микроскоп. Авторство этих изобретений не принадлежит одному определенному лицу, но мы можем проследить историю их появления.

Первое описание оптического прибора было найдено в трудах монаха францисканского ордена, англичанина, Роджера Бэкона. Но из них можно заключить только то, что Бэкон знал увеличивающее действие выпуклых линз, установил, что вогнутые зеркала фокусируют параллельные пучки в точку, лежащую между центром и вершиной зеркала, представлял возможность сочетания линзы и зеркала, выдвинул идею создания зрительной трубы и первым дал ее описание в 1268 г.

Реализуя свою мечту рассмотреть неуловимое глазом, итальянский художник, ученый и изобретатель Леонардо да Винчи в 1509 г. дал описание и рисунок двухлинзовой зрительной трубы, разработал станки для шлифования линз, первым выполнил графические построения хода лучей в линзах. Оптические усовершенствования его не были реализованы в то время и остались неизвестными.

Итальянский врач Фракасторо из Вероны в своем труде, появившемся в 1538 г., утверждает, что можно видеть предметы гораздо ближе и в увеличенном виде, положив одну над другой две линзы. Если понимать «над» буквально, то это означает, что им высказана идея создания микроскопа.

Еще точнее пишет итальянский изобретатель Джамбаттиста делла Порта в 1558 г. в своей «Естественной магии»: «Посредством вогнутого стекла ясно видны далекие предметы, при помощи выпуклого – близкие. Если правильно соединить оба рода этих стекол, то как близкие, так и далекие предметы кажутся больше и яснее». Зрительная труба, которую описывает Порта, должна была увеличивать очень слабо. Иначе он описал бы еще и некоторые открытия на небе, которые можно было сделать при помощи его трубы. Но его книга, получившая большую популярность, способствовала тому, что многие любители заинтересовались этим вопросом.

В результате в 1608 г. в голландии были поданы заявки на выдачу патента на изобретение зрительной трубы почти одновременно несколькими исследователями – Липперсгеем, Я.Мециусом, Хансом и Захарией Янсенами. Однако это изобретение имело военное значение и было засекречено. Слух об изобретении трубы, позволяющей ясно видеть отдельные предметы, натолкнул Г.Галилея на размышления об устройстве такого прибора. Он независимо от голландских ученых создал свою зрительную трубу в 1609 г. и использовал ее для наблюдения на суше и на море, а главное, направив ее на небо, достиг замечательных результатов: открыл спутники Юпитера, пятна на Солнце, отдельные звезды Млечного Пути и т.д. В результате этого долгое время честь изобретения зрительной трубы приписывали Г.Галилею. В наши дни схема зрительной трубы, называемой иногда голландской или галилеевой, применяется в основном в биноклях с небольшим увеличением.

Галилей был первым ученым, серьезно отнесшимся к идее создания оптических приборов. Организовав мастерские по производству зрительных труб в 1624 г., Г.Галилей создал микроскоп. Тубусы его приборов изготавливались из бумаги, неудивительно, что такие приборы быстро приходили в негодность, линзы выпадали и разрушались. Однако эти приборы пользовались большой популярностью, ведь за короткий срок Г.Галилей стал поставщиком оптических приборов в известные европейские дворы.

А современные зрительные трубы для астрономических и наземных наблюдений обычно построены по схеме И.Кеплера. В 1611 г. И.Кеплер предложил зрительную трубу, которая состояла из двух выпуклых линз. Одна из них дает действительное изображение предмета. Это изображение увеличивает вторая линза. Получаемое изображение – обратное. Поэтому такая зрительная труба неудобна для рассматривания земных предметов.

Другую форму трубы предложил в 1645 г. капуцинский монах Ширль из Богемии. Эта труба имела преимущество перед трубой И.Кеплера, т.к. благодаря добавлению двух внутренних линз, которые переворачивают изображение, стала удобной и для наземных наблюдений. Ширль первый назвал линзу, обращенную к предмету, – объективом, а обращенную к глазу, – окуляром.

Антони Ван Левенгук, нидерландский натуралист, научился изготовлять линзы с 150–300- кратным увеличением. Использовал он их в микроскопе. В 1673 г. Левенгук первый пронаблюдал и зарисовал микроорганизмы в капельке воды, капиллярные сосуды в хвосте головастика, красные кровяные тельца и сотни других удивительных вещей, о которых никто и не подозревал.

Современные микроскопы дают увеличение в полторы-две тысячи раз, а электронные – даже в миллион раз! Настоящий микроскоп нам, конечно, с вами не сделать. Но мы можем соорудить лупу, немного похожую на ту, которой пользовались древние.

Очень простое приспособление для увеличения можно сделать из тонкой плотной бумаги, в которой нужно аккуратно проколоть отверстие булавкой и поместить на него капельку воды. Такое приспособление действует как лупа. Поднесите отверстие к самому глазу и смотрите через него хотя бы на книжную страницу, но только с расстояния около 2 см. Невооруженным глазом ничего так близко не увидеть. А через отверстие буквы покажутся очень большими, словно не в книге, а на афише.

Таким способом можно рассматривать, например, маленького жучка, мушиную лапку, да и мало ли что еще. Условие только одно: наблюдаемый предмет должен быть очень ярко освещен.

Проверьте это на опыте и объясните явление.

Ночезрительная труба М.В.Ломоносова

Две области – сияния и тьмы –Исследовать равно стремимся мы.
Е.Баратынский

В своем трактате «Физическая задача о ночезрительной трубе», представленном в Академию наук 19 января 1758 г., русский ученый М.В.Ломоносов писал: «Для наблюдения издалека вещей, очень удаленных и тем утаенных от зрения, искусство смертных изобрело телескопы < ...> Мельчайшие же вещи становятся заметными при помощи микроскопов <...> Но никто из ученых, насколько я знаю, не только не потрудился, но даже не подумал о том, как извлечь вещи из темноты, чтобы можно было заметить их ночью или хотя бы в густые сумерки <...> Я не сомневаюсь, что где есть свет, как бы он ни был слаб, с помощью некоторого оптического инструмента можно много яснее различать предметы, чем невооруженным глазом».

Он первым в мире обратил внимание на возможность улучшить зрение человека в темноте благодаря оптическому прибору. Назвал М.В.Ломоносов свой прибор ночезрительной, или никтоптической, трубой (tubus nyctopticus), а также «машиной для сгущения света».

Создавая ее, Ломоносов обратил внимание на то, что бодрствующие по ночам животные в сумерках хорошо видят не только благодаря высокой чувствительности их «оптического нерва» (сетчатки глаза), но и за счет больших размеров зрачка (как, например, у совы). Поэтому, созданная им «машина» представляла собой двухлинзовую зрительную трубу с очень большим объективом, который «захватывал огромную массу лучей и собирал их преломлением», и малым окуляром, «который снова преломлял лучи, превращая их в параллельные». Таким образом, вторая линза – окуляр – восстанавливала параллельность светового пучка, направляемого в глаз наблюдателя, а освещенность его зрачка была выше освещенности первой линзы. В целом оптическая схема ночезрительной трубы ничем не отличалась от схемы обычной, или галилеевой, зрительной трубы. Это и заставило многих современников Ломоносова заявить, что «иной цели и назначения, по сравнению с прочими трубами, нет и что все астрономические трубы дают то же самое». А ведь конструкция трубы, предложенной М.В.Ломоносовым, была наиболее выгодной для наземных наблюдений ночью.

Между тем на основе многочисленных опытов Ломоносов глубоко понимал роль увеличения зрительной трубы при наблюдении слабоосвещенных объектов. В своей речи на заседании Академии наук 13 мая 1756 г. он утверждал, что изо всех опытов явствует то, что предмет, поставленный в темную комнату, различается через трубу яснее, чем без нее.

Противников Ломоносова не убедила и демонстрация им в 1759 г. английской зрительной трубы. Этот прибор по устройству был таким, каким ученый представлял себе свое изобретение. Ломоносов нашел в английской трубе реализацию своего предложения, что лишило его и Россию приоритета на изобретение из-за более чем трехлетних пустых споров, не позволивших ему опубликовать открытие.

До конца своей жизни Ломоносов продолжал разрабатывать инструменты для ночных наблюдений. Снаряженная по его проекту полярная экспедиция капитана В.Я.Чичагова была оснащена, по заказу Адмиралтейства в 1764–1765 гг., «шестью подзорными добрыми трубками», из которых три – «особливые», предназначавшиеся, по замыслу их создателя, «для сумрачного времени».

Меньше месяца не дожил Ломоносов до того дня в начале мая 1765 г., когда три корабля экспедиции Чичагова вышли в Ледовитый океан. Так, почти десятилетняя борьба за создание ночезрительной трубы успешно завершилась не только ее постройкой академическими мастерами – оптиком И.И.Беляевым и инструментальщиком Н.Г.Чижовым,– но и практическим ее применением русскими мореходами.

В 1772 г., через 16 лет после первого сообщения Ломоносова, немецкий математик, физик и астроном И.Ламберт описал зрительную трубу восьми дюймов длиной, которой он пользовался для ночных наблюдений. Как и Ломоносов, он называл свою трубу ночезрительной. В 1803 г., спустя 30 лет после И.Ламберта, зрительную трубу для ночных наблюдений вновь описал французский астроном Ж.Лаланд, полагавший, как и И.Ламберт, что честь изобретения принадлежит ему.

Однако зрительная труба для ночных наблюдений и принципы ее построения были открыты в 1756 г. русским ученым М.В.Ломоносовым!

«После смерти Ломоносова его ночезрительная труба была забыта и заброшена, – отмечал академик С.И.Вавилов. – Ею никто не интересовался приблизительно 150 лет. Многие, в частности моряки, знали по опыту пользу труб и биноклей для ночных наблюдений». Но сознательное развитие ночезрительная труба с большим увеличением получила только в
ХХ в. Всесторонние испытания зрительных труб, биноклей и других телескопических систем в ночных условиях были произведены в 30-х гг. нашего столетия в Ленинградском и Парижском оптических институтах.

Так, спустя много лет, в наше время торжествует мысль и научная работа Михаила Васильевича Ломоносова, которую не поняли его современники.

Литература

1. Вавилов С.И. Ночезрительная труба М.В.Ломоносова (Михаил Васильевич Ломоносов). – М., 1961.
2. Ломоносов М.В. Полное собрание сочинений. Труды по физике, астрономии и приборостроению. Т. 4. – М.–Л., 1955.

Дополнительная литература

1. Лакур П., Аппель Я. Историческая физика. Т. 1. – Одесса, 1908.
2. Любимов Н.А. История физики. Опыт изучения логики открытий в их истории. Т. 3. – С.-Пб., 1896.
3. Мирошников М.М. Ночезрительная труба М.В.Ломоносова. – Природа. № 9, 1986.
4. Эйнштейн А. Иоганн Кеплер. – Квант. № 2, 1998.