Основные понятия оптики

Оптика – одна из древнейших наук, оказавшая глубокое влияние на формирование мировоззрения человека, научно-технический прогресс и многочисленные отрасли знания. Трудно дать строгое и исчерпывающее определение оптики, название которой произошло от греческого слова optos (видимый, зримый). Содержание науки менялось на разных этапах ее развития: древние греки определяли оптику как учение о природе света и механизме зрения, в то же время они развивали теорию отражения и преломления света

Уже древние римляне обратили внимание на “увеличивающую силу” сосуда, наполненного водой. Они знали, что лучи солнца, проходящие через него, могут обжечь кожу, зажечь огонь, хотя вода в нем не закипает. Видимо это послужило толчком к созданию оптических приборов.

Большой вклад в развитие оптики и оптотехники внес великий русский ученый М. В. Ломоносов. Он усовершенствовал некоторые уже существующие приборы и создал ряд новых.

Мы решили написать работу на тему «Оптические приборы, созданные М. В. Ломоносовым» потому, что в настоящее время об этом очень редко упоминается. В современных учебниках физики даже нет информации о вкладе М. В. Ломоносова в изучение такой науки, как оптика. А ведь он является создателем оптических приборов, которые используются и в настоящее время. Нас заинтересовала данная тема после участия в конференции «М. В. Ломоносов – самородок земли русской», которая проводилась в рамках недели физики и математики в нашей школе. И нам захотелось более подробно изучить эту тему.

В истории каждого народа есть великие личности, которые столетиями с неослабной силой привлекают к себе внимание.

В русской истории это, прежде всего выдающийся учёный и писатель, инженер и художник, историк и педагог, общественный деятель и пламенный борец за национальное достоинство России Михаил Васильевич Ломоносов.

Прошло уже 300 лет со дня рождения этого гениального русского ученого, имя которого принадлежит к числу наиболее выдающихся в истории мировой науки. Всем своим многосторонним творчеством Ломоносов заложил прочный фундамент отечественной науки. Трудно назвать область современных ему научных знаний, которая не входила в круг его интересов и в развитие которой он не внес бы новый серьезный вклад. Его идеи и замечательные исследования в области физики и химии, астрономии и географии, истории и лингвистики и многих других наук,. в которых он проложил новые пути, предвосхитили достижения науки и техники в последующие столетия.

Но величие Ломоносова не только в исключительной многогранности его гения, не только в огромной силе его научного предвидения. Характерной чертой его научной, организаторской и общественной деятельности с самого начала и до конца является замечательная целеустремленность. Своей целью, делом своей жизни Ломоносов всегда считал пользу Отечества. Все его труды и научные замыслы обусловлены патриотическим стремлением к благосостоянию и процветанию своего народа. Множество его работ в самых различных отраслях знания прямо и непосредственно связано с практическими приложениями.

Учёным было сконструировано и построено несколько принципиально новых оптических приборов, им создана русская школа научной и прикладной оптики.

Во всех оптических приборах и устройствах, изобретённых или усовершенствованных Ломоносовым, используется один и тот же материал – стекло.

Оптические приборы изобретенные и усовершенствованные М. В. Ломоносовым.

Оптический прибор Участие Ломоносова в изобретении или усовершенствования прибора (данное

(современное название) им название)

1. Микроскоп Мелкоскоп (усовершенствовал)

2. Телескоп Труба об одном зеркальце (усовершенствовал)

3. Ночезрительный бинокль Машина для сгущения света (изобрёл)

4. Перископ Горизонтоскоп (изобрёл)

5. Фотометр Прибор для сравнения света звёзд ( изобрёл)

6. Солнечная печь Катопритко-диоптрический нагревательный инструмент (изобрёл)

7. Приборы для получения любого цвета путём сложения Приборы для получения любого цвета путём сложения трёх цветов трёх цветов. (изобрёл).

1. Отражательный телескоп нового типа.

«ОБ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ЗРИТЕЛЬНЫХ ТРУБ», речь, подготовленная Ломоносовым к публичному собранию Академии наук, назначенному на 29 июня 1762 г. Текст без заглавия был отпечатан в типографии на латинском языке. 122Сохранился единственный экземпляр, поскольку все оттиски были уничтожены в связи с переворотом 28 июня 1762 г. , в результате которого Петр III (речь посвящалась ему) был свергнут. Впервые опубликована вместе с русским переводом в «Новом магазине естественной истории» издаваемом профессором Московского университета И.  А.  Двигубским. Ломоносов начинает речь с описания недостатков телескопов И.  Ньютона и Д.  Грегори, из которых главный — расположение меньшего зеркала на оси трубы.

Изучив конструкции имевшихся зеркальных телескопов,

М. В. Ломоносов пришел к заключению, что их общим недостатком является малое отражательное зеркало, которое поглощало часть света и уменьшало четкость изображения.

В результате проведённых расчетов и экспериментов он направил «фокус служащего объективом зеркала так, чтобы отраженные лучи не встречались сами с собой на его оси, как это обыкновенно бывает, а несколько отклонились в сторону, образуя угол, насколько возможно малый, чтобы изменение очертаний предмета оказались едва чувствительными или не чувствительными, а вершина фокуса находилась вне отверстия трубы, или, точнее, вне цилиндра лучей» Для того чтобы вывести «фокус за окружность трубы», Ломоносов принял простое и весьма остроумное решение: отклонить большое зеркало телескопа «от обычного положения на четыре градуса». Новая оптическая система превосходила прежние по простоте и стоимости изготовления, ясности и чистоте изображения.

Проба трубы «об одном зеркальце» прошла «с желаемым успехом» в 1762г. Однако описание «зеркальной трубы» не было опубликовано при жизни учёного, поэта; когда в 1789г. Английский астроном В. Гершель построил аналогичный телескоп, последний стал носить его имя.

2. Ночезрительная труба.

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».

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.

«После смерти Ломоносова его ночезрительная труба была забыта и заброшена. В дни Великой Отечественной войны это замечательное изобретение как бы родилось заново и получило применение в ночезрительных биноклях, которыми оснащались зенитные батареи.

3. Горизонтоскоп (большой перископ с механизмом для горизонтального обзора местности).

Этот прибор состоял из вертикальной трубы, механизма для наводки верхнего зеркала на объект и механизма вращения трубы вокруг вертикальной оси. Пользуясь им, можно было обозревать из-за укрытия любые объекты. Большой интерес к прибору стал появляться лишь в конце XIX- начале XX века, когда потребовались наблюдения из окопов, крепостей, подводных лодок.

Перископ применяется для подъёма линии зрения наблюдателя. Он удобен для «видения» через головы толпы на гонках и соревнованиях, на спортивных играх! Этот прибор состоит из двух плоских зеркал или, что предпочтительней, из двух прямоугольных равнобедренных призм, собранных в какой-либо трубе или держателе (рис 38). Отражающие поверхности зеркал и призм расположены таким образом, что они параллельны друг другу и под углом 450 по отношению к вертикали. Свет на верхнее плоское зеркало или отражающую грань призмы падает под углом 450 и поэтому отражается также под углом 450, отклоняясь, следовательно, на 900 в направлении по часовой стрелке. Затем свет отклоняется на 900 в направлении против часовой стрелки на нижнем плоском зеркале (или призме). Таким образом, изображение является прямым мнимым и появляется на более низком уровне, чем тот, на котором находится предмет. Первое отражение создаёт зеркальный переворот изображения, с одной стороны на другую, но второе отражение это компенсирует.

В точных приборах применяются призмы, например в перископе подводной лодки. Стеклянные призмы не подвержены влиянию погоды, и их не так легко повредить. Более того, призма полностью внутренне отражает свет, в то время как при каждом отражении от зеркала происходит потеря 9% света.

4. Катоптрико - диоптрический нагревательный инструмент

(солнечная печь)

«РАССУЖДЕНИЕ О КАТОПТРИКО-ДИОПТРИЧЕСКОМ ЗАЖИГАТЕЛЬНОМ ИНСТРУМЕНТЕ», первая работа Ломоносова в области практической оптики. Написана в августе 1741 г. на латинском языке и вместе с диссертациями академических студентов — Д.  И.  Виноградова, Г.  У.  Райзера и Г.  Н.  Теплова — представлена на рассмотрение академиков. 9 и 12 октября 1741 г. прочитана академиком Г.  В.  Крафтом на заседании Конференции и сдана в Архив. Цель этой работы М. В.  Ломоносов формулировал так: «Вознамерившись ввести в область химии приборы физиков, а также истины, ими открытые, чтобы до известной степени облегчить трудности, встречающиеся в этой науке. я счел за благо, по мере сил моих, уничтожить каким-либо способом упомянутые трудности и попытаться увеличить зажигательную силу этих приборов, которые прославлены столькими работниками, двинувшими вперед естествознание, и которые, я не сомневаюсь, придут на помощь в химических работах, требующих сильного огня. ».

В сентябре 1758 г. по предложению академика Г. Г.  Ф.  Миллера снова была представлена Конференции, которая решила предложить мастерам Инструментальной палаты Академии наук изготовить этот зажигательный инструмент. Однако не сохранилось никаких сведений о том, был ли он сделан, скорее всего сам Ломоносов потерял к нему интерес и не добился практического осуществления и испытания. Зажигательные стекла и вогнутые зажигательные зеркала были в то время единственными приборами, с помощью которых получали высокие температуры, недостижимые тогда никаким иным способом. Вначале Ломоносов отмечает, с какими технологическими трудностями сталкиваются изготовители зажигательных стекол и зеркал, и упоминает механиков и оптиков Ф.  Виллета (1621—1698) и Э.  В. фон Чирнгаузена (1651—1708), которые изготовляли зажигательные линзы очень большого диаметра. Одну из них — линзу Чирнгаузена — Ломоносов видел в Физическом кабинете Кунсткамеры, она имеет диаметр 57. 54 см и до сих пор сохраняется в Музее М.  В.  Ломоносова. Суть предложения Ломоносова сводилась к тому, чтобы заменить одно большое зажигательное стекло системой стекол малого диаметра, позади которых должны были находиться зеркала. Расположение тех и других должно быть таким, чтобы фокусы их сходились в одном месте, тогда «соединенными силами они и произведут жар больший», чем известный до сих пор. Вся эта система, по мысли Л. , должна быть укреплена на доске, стоящей на коленчатой ножке, позволяющей изменять ее наклон так, чтобы, во-первых, солнечные лучи можно было сфокусировать, а во-вторых, следовать за суточным движением Солнца.

Существовавшие до этого аналогичного типа инструменты были просто либо вогнутыми зеркалами, либо выпуклыми линзами, «направленными на солнце и производящими огонь».

Ломоносов поставил задачу резко увеличить « зажигательную силу». В поисках её решения он пришёл к выводу, что цель может быть достигнута только лишь « собиранием фокусом нескольких линз или зеркал в одно и тоже место, где соединёнными силами они и произведут жар больший, чем известный до сих пор».

В основу своей конструкции учёный положил новую мысль: « Солнечные лучи и после отражения от плоскости зеркал всё ещё сохраняют теплопроводную силу, следовательно,должны, будучи собраны выпуклой линзой, увеличить жар».

Солнечная печь представляет собой простейшее устройство для использования солнечного света для приготовления пищи без использования топлива или электроэнергии. Простейшая солнечная печь состоит из особым образом согнутого картона, покрытого фольгой. Фольга отражает солнечный свет и фокусирует его на обычной черной металлической кастрюле. Кастрюля закрыта крышкой и завернута в прозрачный пластиковый пакет — чтобы уменьшить теплообмен. Существуют и более совершенный вид солнечных печей — с металлическими отражателями итд, в том числе большие стационарные солнечные печи для столовых или кафе. Также термин «солнечная печь» применяется для обозначения более сложных гелиоустановок для плавки и термообработки материалов. Такие солнечные печи отличаются высокой стоимостью и применяются в случаях, когда необходимо создать особые («стерильные») условия плавления и термообработки, исключающие внесение примесей в обрабатываемый материал.

5. Фотометр.

М. В. Ломоносова можно считать первым русским фотометристом. Им в 1762 г. был разработан проект фотометра для сравнения яркости звёзд. Идея заключалась в том, чтобы оценивать силу света звезды путём сопоставления её в выбеленной камере со светом Солнца, прошедшее через малое отверстие, а световое равенство устанавливать на основе одинакового различения деталей, например, текста в книге.

6. Микроскоп

Впервые в истории химии Ломоносов наблюдал в микроскоп ход реакции. Он придумал опыт, позволяющий исследовать траекторию частиц железа, выбрасываемых из проволоки при взаимодействии с азотной кислотой. По результатам наблюдений построил геометрическую схему и по законам математики, почти как доказательство теоремы, сформулировал научные выводы об особенностях структуры железа.

Но для этого ему пришлось усовершенствовать и сам микроскоп, предложив вместо отвинчиваемых объективов, неудобных в работе, использовать, как сейчас называют, салазочный револьвер — подвижную дощечку с прикрепленными на ней объективами. Этот прием английские оптики применили только через десятилетие.

. Оптическая система микроскопа состоит из двух собирательных линз. Одна из них с малым фокусным расстоянием обращена к предмету наблюдения АВ и называется объективом, другая линза обращена к глазу наблюдателя: она играет роль лупы и называется окуляром

Оптические оси обеих линз совпадают и образуют общую ось MN. При работе с микроскопом ось MN совпадает со зрительной осью глаза и образует единую оптическую систему – глаз.

7. Прибор для получения любого цвета путём сложения трёх основных цветов.

 Еще до того как Ломоносову удалось обзавестись химической лабораторией, он обратил внимание на мозаику — древнее искусство составлять из цветных стеклянных сплавов (смальт) немеркнущие картины и портреты. Несколько мозаичных работ привез в 1746 году из Рима граф Михаил Илларионович Воронцов, в доме которого часто бывал Ломоносов. Среди них была и мозаичная картина «Плачущий апостол Петр» работы неизвестного ватиканского мастера с оригинала Гвидо Рени, отличавшаяся богатством и разнообразием красочных оттенков при передаче розового хитона и голубого плаща апостола. Ломоносова живо заинтересовала искусная работа итальянских мастеров, доведших свою смальтовую «палитру» до нескольких тысяч оттенков, что позволяло им виртуозно копировать масляную живопись. Ломоносов хорошо знал, что мозаика была известна еще Киевской Руси, и он воодушевляется мыслью не только возродить это древнее искусство в нашей стране, но и снабдить его новым, совершенным материалом.

     Приготовление смальт хранилось в строгой тайне итальянскими мозаичистами. Ломоносова-химика привлекала к себе задачка раскрыть этот секрет и самостоятельно разработать рецептуру для получения смальт.

     В протоколах академической Конференции все чаще отмечается отсутствие Ломоносова, «очень занятого в лаборатории».

     Живой, художественный и практический интерес к мозаике, овладевший Ломоносовым, сочетался с давно волновавшими его вопросами теоретической физики и химии. Ломоносовская теория трех цветов хорошо увязывалась с тогдашними химическими представлениями о соляной, серной и ртутной «материях», с которыми сопрягает Ломоносов частицы эфира. Он полагает, что от «совмещения» с соляной материей происходит красный цвет, с серной — желтый, а с ртутной — голубой.

Разрабатываемая Ломоносовым теория «трех цветов» имела, несомненно, значение для развития цветоведения. Установив трехмерность многообразия цветов, Ломоносов указывал пути для решения практических задач цветотехники, нашедшей в наше время такое широкое применение в цветной фотографии, печати, кино. Он трудится над созданием приборов для получения любых цветов через сложение или вычитание трех основных. К сожалению до наших дней не сохранились точные описания этих приборов. Но их принципы осуществлены в современных колориметрах.

В течение трех лет, «оградясь философскою терпеливостью», шаг за шагом шел Ломоносов к своей цели. Пробы стеклянных масс следуют одна за другой. Ломоносов ведет подробный журнал, в котором тщательно записывает по-латыни название и точный вес взятых материалов, способ плавки и полученные результаты. Его план экспериментальных работ строго продуман; он ставит опыты последовательными сериями, постепенно усложняет состав смальты, доведя число компонентов до шести, вводит их в различных весовых соотношениях и в различных сочетаниях.

     Ломоносов устанавливает влияние температуры плавки на физические свойства готового стекла, изучает прозрачность получаемых стекол, их цвет в проходящем и отраженном свете. Все новые наблюдения, идеи и экспериментальные навыки, возникшие у Ломоносова в связи с его занятиями физической химией, находят здесь блестящее применение.

Ломоносова нельзя было остановить никакими трудностями, и, проделав в общей сложности около четырех тысяч опытов, он, наконец, добивается своего. Он открывает способ получать смальты любого цвета, глубоких и сочных тонов, разнообразнейших оттенков.

 Вне связи с вековыми традициями мозаичного искусства, Ломоносов совершенно самостоятельно добился исключительных результатов. По немногим образцам он не только постиг мозаичную технику, но и осознал художественный смысл мозаики — ее суровую и выразительную простоту, ее красочные возможности, декоративное значение и эпическую монументальность. Летом 1752 года Ломоносов заканчивает первую художественную работу — мозаичный образ Богоматери по картине итальянского живописца Солимены. 4 сентября того же года он подносит его Елизавете Петровне. Образ был принят ею с «оказанием удовольствия».

Заключение.

“В общей сложности за годы своей творческой деятельности Ломоносов усовершенствовал, изобрел и ввел в науку несколько десятков приборов, аппаратов, установок, инструментов и приспособлений>. Помимо теоретических задач, он великолепно справлялся с практическими. Они были особенно по душе Ломоносову, потому что соединяли науку и технику, ремесло и искусство.

Для Ломоносова-изобретателя характерны самобытность мысли, остроумие решений и удивительное разнообразие и кажущаяся легкость творческих находок. Ему принадлежат оригинальные конструкции морских навигационных приборов (включая хронометр), приспособления для исследований атмосферного электричества, конструкция гравиметра, улавливающего изменения силы тяжести. Некоторые из его изобретений были реализованы и использованы на практике достаточно быстро. Другие, намного обогнавшие свое время, так и остались в виде идей и предложений, судьба многих из них поныне не выяснена — ведь большинство документов из архивов Ломоносова пропали, а приборы не сохранились. В наше время крупный ученый-теоретик, стремящийся воплотить свои идеи в жизнь, использовать их на практике, может вполне рассчитывать на всемерную поддержку и всяческое поощрение. А вот Ломоносову приходилось оправдываться перед своим “высоким” покровителем, меценатом И. И. Шуваловым: “Полагаю, что мне позволено будет в день несколько часов времени, чтобы их, вместо бильяру, употребить на физические и химические опыты, которые мне не только отменною материей вместо забавы, но и движением вместо лекарства служить имеют, и сверх того пользу и честь отечеству, конечно, принести могут едва меньше ли первой”.

В век торжества механики Ломоносов — сын своего времени — с вдохновением предавался техническому творчеству, резонно полагая, что этот путь “сулит великую надежду к благополучию человеческому”.

(Михаил Васильевич Ломоносов сыграл огромную роль в развитии науки оптика. В результате проведённых исследований было выяснено, что Ломоносовым было изобретено и усовершенствовано огромное количество оптических устройств.

Ломоносов был крупным специалистом в области теоретической оптики.

В 1756 г он выступил на собрании Академии наук с речью «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее». В этом «Слове» учёный привёл ряд убедительных аргументов против господствующей в то время ньютоновской гипотезы излучения, согласно которой свет представляет собой поток мельчайших световых частиц – корпускул, испускаемых светящимся телом. Ломоносов прозорливо считал, что свет- это распространение колебательного, «зыблящегося», движения.

Лишь через многие десятилетия после открытия явлений интерференции и дифракции волновая точка зрения оказалась полностью доказанной.

Учёный впервые указал на единую природу света и электричества (эти мысли стали теоретической базой для исследований XIX столетия). Во времена Ломоносова делать такие выводы, противоречащие установленной ньютоновской гипотезе, было очень опасно и требовало от учёного большого мужества. И лишь безграничная любовь к истине и к Отчизне были ему поддержкой на героическом пути служения науке.

Трудно переоценить значение трудов этого человека для естественных наук.