Как сделать камеру обскура физика
Как вы представляете себе камеру-обскуру, предназначенную для художника? Очевидно, у неё имеется крупное матовое стекло, на которую надо накладывать кальку, как в приборе, показанном на приведённой ниже иллюстрации?
Сразу видно, что автор этой конструкции мыслит не шаблонно. Если в камерах-обскурах с матовым стеклом свет сначала попадает в объектив, а затем, пройдя через него, отражается от диагонального зеркала, то здесь всё наоборот. Сначала диагональное зеркало, затем объектив. Это позволило сменить горизонтальную компоновку на вертикальную, сохранив положение листа горизонтальным.
Прежде, чем приступать к изготовлению самоделки, необходимо приобрести собирающую линзу диаметром около 100 мм с фокусным расстоянием в 300-350 мм. Поскольку hugheswho живёт в Китае, этот компонент обошёлся ему совсем дёшево, но и во всём остальном мире такие линзы тоже недороги.
Поделив второй из эскизов на плоские составляющие, мастер вырезает детали корпуса соответствующих размеров и форм:
Из них он собирает корпус:
Добавляет откидную дверцу с овальным отверстием:
Окрашивает стенки корпуса изнутри в чёрный цвет, что также увеличивает контраст благодаря уменьшению переотражения рассеянного света. Поэтому прибор и называется камерой-обскурой, то есть, тёмной комнатой. Они бывают и очень большимм, реально размером с комнату, куда помещается весь художник.
Теперь hugheswho вырезает сверху отверстие для линзы:
Устанавливает линзу и держатель диагонального зеркала, приклеивает внутрь него само зеркало, добавляет ленту для измерения расстояния:
Что же оно напоминает? Гигантский метроном? Кассу из Fallout 4 или нашего реального прошлого? Но предназначение у девайса иное: рисовать!
Когда же вы, наконец, возьмётесь за первый портрет с применением этого устройства и сумеете уговорить заказчика сидеть на стуле неподвижно, у вас всё равно сначала может получиться так:
Но это повод не крушить самоделку, крича, что вы потратили на неё столько времени, и всё псу под хвост, а тренироваться, пока не выйдет хотя бы что-то вроде этого:
Постепенно такая камера-обскура сделает вас неплохим портретистом в благодарность за то, что вы сделали её.
Оптика. Камера-обскура. Волшебный шарик. Опыты
ВОЛШЕБНЫЙ ШАРИК
Встань напротив белой стены. Убедись, что твое тело достаточно освещено. Возьми стеклянный (прозрачный, без дефектов и вкраплений) шарик и держи его на расстоянии 10 сантиметров от стены. Посмотри на стену прямо под шариком. Что (или кого) ты видишь?
Теперь поднеси шарик к выбоине или царапине на стене. Подвигай его взад-вперед, чтобы сфокусировать изображение. Как выглядит изображение царапины в шарике?
Стеклянный шарик действует как линза. Лучи света, отраженные твоим телом, падают на шарик, проходят сквозь него и попадают на стену. Если шарик находится на нужном расстоянии от стены, на ней появляется твое уменьшенное изображение.
Совершенно так же, как и линза, шарик увеличивает царапины и трещины в стене, потому что лучи света от них, пройдя через шарик, расходятся.
КАМЕРА-ОБСКУРА
Посмотри вокруг. Все выглядит так, как должно быть. Однако на самом деле твои глаза видят все совсем не так. Хрусталик проецирует на сетчатку изображение вверх ногами, и наш мозг учится «переворачивать» его еще в младенчестве.
Кнопкой проделай отверстие в дне пластикового стаканчика, ровно по центру. Отрежь кусок кальки размером немного больше, чем диаметр стакана. Накрой им стакан сверху и закрепи с помощью аптечной круглой резинки.
Погаси свет в комнате. Направь стакан отверстием на ярко освещенное окно или настольную лампу. Посмотри через кальку. Что ты видишь? Насколько изображение похоже на реальный предмет?
Поздравляем! Ты только что сделал камеру-обскуру. Лучи света, идущие от лампы, проходят через отверстие, продолжая распространяться по прямой линии.
Благодаря этому лучи, приходящие от верхней части лампы, попадают на нижнюю часть «экрана» из кальки, а лучи, приходящие от нижней части лампы, попадают на верхнюю часть «экрана». Изображение лампы получается перевернутым.
На рисунке показано, как идут лучи в камере-обскуре и как формируется изображение.
КАМЕРА-ОБСКУРА. СДЕЛАЕМ САМИ
Камера-обскура – предок фотоаппарата и была известна давно. Очень может быть, что она была впервые создана как очень упрощенная модель человеческого глаза. Свет от ярко освещенных предметов проходит через маленькое отверстие в передней стенке темного ящика, и на матовом стекле, вставленном в его заднюю стенку, появляется уменьшенное, перевернутое изображение.
Кстати, наши глаза тоже видят все «вверх ногами», но мозг так умело переворачивает это изображение, что мы не испытываем никаких неудобств.
Но хотя камера-обскура известна давно, только в середине прошлого века придумали, каким способом закрепить ее изображение — на пластинке, чтобы получить фотографию.
Для изготовления камеры-обскуры возьмите высокую (литровую) коробку из-под молока, хорошо ее вымойте теплой водой и мылом, высушите и отрежьте от нее верхнюю часть на расстоянии 12 сантиметров от дна. В центре дна вырежьте отверстие диаметром 2 сантиметра. Снаружи заклейте его тонкой бумагой и закрасьте черной тушью. Всю коробку внутри тоже закрасьте тушью.
Из отрезанной верхней части коробки, разрезав ее вдоль по одному из ребер, склейте немного уменьшенную вставку, чтобы она плотно входила в нашу коробочку. Ее изнутри тоже покрасьте тушью. Затем один из ее концов заклейте тонкой (писчей) бумагой, а когда клей высохнет, протрите бумагу ваткой, смоченной постным маслом.
Центр донышка коробки, где наклеена черная бумажка, проколите иголкой. Вдвиньте вставку в коробку (промасленная бумага должна быть на внутреннем конце). Закрывшись черной материей, наведите коробку ее маленьким отверстием на окно. Это лучше проделать в комнате в яркий, солнечный день, чтобы все за окном было хорошо освещено. На промасленной бумаге вы увидите изображение окна и всего того, что за ним находится. Изображение будет перевернутое, но очень бледное. Бледность изображения объясняется маленьким отверстием в передней стенке камеры: оно пропускает мало света. Вдвигайте и выдвигайте вставку и посмотрите, как это влияет на изображение.
Начните постепенно увеличивать отверстие. Изображение будет становиться более ярким, но менее резким. Если у вас есть двояковыпуклая линза, то, увеличив еще отверстие до размера с копеечную монету, приложите к нему линзу и, вдвигая и выдвигая вставку, следите, что получится на промасленной бумаге. Двигая вставку, можно добиться четкого изображения.
С помощью подобной камеры можно даже получить фотографический снимок, заменив промасленную бумагу фотографической пластинкой или пленкой. Но наша камера слишком примитивна для этого. Камера для фотографирования должна быть совсем непроницаемой для постороннего света. У нее должен быть затвор, чтобы обеспечить нужную выдержку. И вообще самим делать фотоаппарат не имеет никакого смысла. В продаже есть сейчас недорогие аппараты, с помощью которых можно получать отличные снимки. А наша задача была — проследить, как в камере возникает изображение, и познакомиться с далеким предком современных фотоаппаратов.
ВВЕРХ НОГАМИ
Нас обманывают! Каждую минуту, с самого рождения и до сих пор! Хотя мы и не осознаем этого, но человеческий мозг постоянно переворачивает все, что видят глаза, нужной стороной вверх. Без этого весь мир казался бы нам вверх тормашками, ведь именно так изображения всех предметов попадают на нашу сетчатку.
Но представим себе, что каким-то образом изображение предмета будет спроектировано на сетчатку в правильном положении. Что тогда? Поймет ли мозг это и оставит изображение так, как оно есть, или же перевернет его вверх ногами?
Обычно идущие от объекта лучи пересекаются, проходя через зрачок глаза. Это создает на сетчатке перевернутое изображение, которое мозг научился переворачивать.
В этом опыте ты создал уникальную ситуацию. Лучи света, пройдя через отверстие в карточке, не будут больше пересекаться, а будут только расходиться. При прохождении через зрачок они создадут на сетчатке изображение, которое будет правильно ориентировано. Однако твой мозг научен переворачивать все, что ты видишь. Поэтому, несмотря на то, что изображение правильно ориентировано, мозг все равно перевернет его!
Источник: Майкл ди Специо «Занимательные опыты», Ф. Рабиза «Опыты без приборов», «Забавная физика»
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Сурдин В., Карташев М. Камера-обскура //Квант. — 1999. — № 2. — С. 12-15.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Содержание
История
На латинском языке «камера-обскура» означает просто «темная комната». Эта забава известна с античных времен: закрывшись в солнечный день в темной комнате и проделав в шторе окна маленькую дырочку, вы можете увидеть на противоположной, желательно белой, стене изображение улицы и прохожих. вверх ногами (рис. 1). Принцип действия камеры- обскуры, по-видимому, был известен еще древним грекам, ею пользовались арабские ученые, а в Европе ее впервые подробно описал Леонардо да Винчи (конец XV века). Однако широкого применения классическая камера-обскура не находила: если отверстие для света сделать большим, то изображение получается размазанным, а крохотное отверстие дает резкое, но очень тусклое изображение; кроме того, для наблюдений необходимы абсолютно темное помещение и адаптированные к мраку глаза.
Практика
Теория
Будем рассуждать так. От каждой светящейся точки удаленного объекта на нашу камеру падает пучок практически параллельных лучей света. Проходя сквозь отверстие диаметром D, пучок рисует на экране кружок такого же диаметра. Пусть расстояние до экрана F. Если угловое расстояние между двумя соседними точками объекта меньше чем \(
\frac DF\) (в радианах, разумеется), то их кружки на экране будут частично перекрываться. При каком перекрытии кружков мы еще сможем различить соседние точки изображения — вопрос не простой. Многое зависит от контраста деталей исходного объекта, от яркости его изображения и т.п. Различить детали слабо контрастной картины удается в том случае, если световые кружки совсем не перекрываются. Но поскольку пятна на Солнце выглядят весьма контрастно, будем считать картину различимой, если центры кружков раздвинуты на величину их радиуса. Тогда легко определить минимальный угловой размер различимых деталей объекта, или, как говорят оптики, предельный угол разрешения, обусловленный конечным размером пучка:
В нашем случае независимыми источниками света можно считать бесчисленное множество точек входной апертуры, ведь каждая из них из-за дифракции посылает свет во всех направлениях (принцип Гюйгенса — Френеля). Падающие на экран волны складываются друг с другом в соответствии со своими фазами, в некоторых точках усиливая друг друга, а в некоторых ослабляя. В результате получается следующая картина: пройдя сквозь маленькое круглое отверстие, пучок параллельных (вначале) лучей даст на экране светлое пятнышко, окруженное концентрическими темными и светлыми кольцами спадающей яркости (рис. 5). Можно считать, что камера-обскура отображает на экране каждую точку светящегося объекта в виде такого светлого пятна, окруженного «зеброй» колечек. Обычно считается, что изображения двух соседних точек объекта можно различить на экране, если центры их светлых пятен раздвинуты не менее чем на радиус первого темного кольца (критерий Рэлея). Угол α2, под которым этот радиус виден от входного отверстия, можно оценить из тех соображений, что разность путей света от ближайшей и наиболее удаленной точек объектива до любой из точек на темном кольце должна быть порядка длины волны света λ. Тогда мы получим \(
\alpha_2 \approx \frac<\lambda>
Очевидно, что при некотором оптимальном диаметре отверстия (Dopt) достигается наилучшая разрешающая способность камеры данного размера (F), которую характеризует минимальное значение угла разрешения (αmin). Найти эти параметры нетрудно. Тем, кто знаком с производной, ясно, что своего минимального значения а достигает в точке, соответствующей условию α’ = 0. А для остальных тоже вполне очевидно из рисунка 6, что минимум достигается в той точке, где α1 = α2. Оба эти условия тождественны. Из них мы получим
На что же способна оптимальная классическая камера-обскура? Для визуальных наблюдений примем длину волны видимого света λ = 5500 А. Тогда можно представить наш результат в удобном для оценок виде:
Вспомним, что с удалением экрана от объектива возрастает угловой размер изображения и, следовательно, падает яркость. Видимый диаметр солнечного диска около 0,5°, точнее — 32′, диаметр его изображения на экране простой камеры-обскуры составит \(
Итог: теоретически древние греки могли бы использовать классическую обскуру для изучения поверхности Солнца!
Убедившись в этом, мы решили, что пора наблюдать Солнце и попытаться с помощью камеры-обскуры увидеть на нем пятна. Эксперимент был поставлен 19 мая 1998 года в Астрономическом институте им. П.К.Штернберга (МГУ) при любезном содействии старшего научного сотрудника отдела исследования Солнца И.Ф.Никулина. Создать камеру длиной 100 и даже 50 метров нам, к сожалению, не удалось. Мы использовали в качестве корпуса обскуры трубу вертикального солнечного телескопа длиной 17 м. Зеркальный объектив этого инструмента находится в его нижней части, поэтому труба до объектива представляет просто светозащищенный объем без оптических элементов. Удобно и то, что система плоских зеркал (целостат) перед трубой телескопа постоянно поддерживает направление его оптической оси на Солнце. Входное отверстие трубы мы закрыли плотной крышкой с круглой дырочкой диаметром 5 мм. В нижней части трубы на листе белой бумаги мы увидели яркое изображение Солнца диаметром 16 см с хорошо различимой группой из двух пятен. Это был момент торжества — солнечный телескоп-обскура действует!
Галилей и Фабрициус открыли солнечные пятна лишь после изобретения оптического телескопа, хотя, как мы теперь видим, такая возможность существовала еще во время египетских пирамид. Быть может, эта мысль натолкнет читателей «Кванта» на размышления о неиспользованных возможностях нашего времени? Кстати, Фабрициусу, когда он открыл солнечные пятна, было немногим более 20 лет.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Сурдин В., Карташев М. Камера-обскура //Квант. — 1999. — № 2. — С. 12-15.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Содержание
История
На латинском языке «камера-обскура» означает просто «темная комната». Эта забава известна с античных времен: закрывшись в солнечный день в темной комнате и проделав в шторе окна маленькую дырочку, вы можете увидеть на противоположной, желательно белой, стене изображение улицы и прохожих. вверх ногами (рис. 1). Принцип действия камеры- обскуры, по-видимому, был известен еще древним грекам, ею пользовались арабские ученые, а в Европе ее впервые подробно описал Леонардо да Винчи (конец XV века). Однако широкого применения классическая камера-обскура не находила: если отверстие для света сделать большим, то изображение получается размазанным, а крохотное отверстие дает резкое, но очень тусклое изображение; кроме того, для наблюдений необходимы абсолютно темное помещение и адаптированные к мраку глаза.
Практика
Теория
Будем рассуждать так. От каждой светящейся точки удаленного объекта на нашу камеру падает пучок практически параллельных лучей света. Проходя сквозь отверстие диаметром D, пучок рисует на экране кружок такого же диаметра. Пусть расстояние до экрана F. Если угловое расстояние между двумя соседними точками объекта меньше чем \(
\frac DF\) (в радианах, разумеется), то их кружки на экране будут частично перекрываться. При каком перекрытии кружков мы еще сможем различить соседние точки изображения — вопрос не простой. Многое зависит от контраста деталей исходного объекта, от яркости его изображения и т.п. Различить детали слабо контрастной картины удается в том случае, если световые кружки совсем не перекрываются. Но поскольку пятна на Солнце выглядят весьма контрастно, будем считать картину различимой, если центры кружков раздвинуты на величину их радиуса. Тогда легко определить минимальный угловой размер различимых деталей объекта, или, как говорят оптики, предельный угол разрешения, обусловленный конечным размером пучка:
В нашем случае независимыми источниками света можно считать бесчисленное множество точек входной апертуры, ведь каждая из них из-за дифракции посылает свет во всех направлениях (принцип Гюйгенса — Френеля). Падающие на экран волны складываются друг с другом в соответствии со своими фазами, в некоторых точках усиливая друг друга, а в некоторых ослабляя. В результате получается следующая картина: пройдя сквозь маленькое круглое отверстие, пучок параллельных (вначале) лучей даст на экране светлое пятнышко, окруженное концентрическими темными и светлыми кольцами спадающей яркости (рис. 5). Можно считать, что камера-обскура отображает на экране каждую точку светящегося объекта в виде такого светлого пятна, окруженного «зеброй» колечек. Обычно считается, что изображения двух соседних точек объекта можно различить на экране, если центры их светлых пятен раздвинуты не менее чем на радиус первого темного кольца (критерий Рэлея). Угол α2, под которым этот радиус виден от входного отверстия, можно оценить из тех соображений, что разность путей света от ближайшей и наиболее удаленной точек объектива до любой из точек на темном кольце должна быть порядка длины волны света λ. Тогда мы получим \(
\alpha_2 \approx \frac<\lambda>
Очевидно, что при некотором оптимальном диаметре отверстия (Dopt) достигается наилучшая разрешающая способность камеры данного размера (F), которую характеризует минимальное значение угла разрешения (αmin). Найти эти параметры нетрудно. Тем, кто знаком с производной, ясно, что своего минимального значения а достигает в точке, соответствующей условию α’ = 0. А для остальных тоже вполне очевидно из рисунка 6, что минимум достигается в той точке, где α1 = α2. Оба эти условия тождественны. Из них мы получим
На что же способна оптимальная классическая камера-обскура? Для визуальных наблюдений примем длину волны видимого света λ = 5500 А. Тогда можно представить наш результат в удобном для оценок виде:
Вспомним, что с удалением экрана от объектива возрастает угловой размер изображения и, следовательно, падает яркость. Видимый диаметр солнечного диска около 0,5°, точнее — 32′, диаметр его изображения на экране простой камеры-обскуры составит \(
Итог: теоретически древние греки могли бы использовать классическую обскуру для изучения поверхности Солнца!
Убедившись в этом, мы решили, что пора наблюдать Солнце и попытаться с помощью камеры-обскуры увидеть на нем пятна. Эксперимент был поставлен 19 мая 1998 года в Астрономическом институте им. П.К.Штернберга (МГУ) при любезном содействии старшего научного сотрудника отдела исследования Солнца И.Ф.Никулина. Создать камеру длиной 100 и даже 50 метров нам, к сожалению, не удалось. Мы использовали в качестве корпуса обскуры трубу вертикального солнечного телескопа длиной 17 м. Зеркальный объектив этого инструмента находится в его нижней части, поэтому труба до объектива представляет просто светозащищенный объем без оптических элементов. Удобно и то, что система плоских зеркал (целостат) перед трубой телескопа постоянно поддерживает направление его оптической оси на Солнце. Входное отверстие трубы мы закрыли плотной крышкой с круглой дырочкой диаметром 5 мм. В нижней части трубы на листе белой бумаги мы увидели яркое изображение Солнца диаметром 16 см с хорошо различимой группой из двух пятен. Это был момент торжества — солнечный телескоп-обскура действует!
Галилей и Фабрициус открыли солнечные пятна лишь после изобретения оптического телескопа, хотя, как мы теперь видим, такая возможность существовала еще во время египетских пирамид. Быть может, эта мысль натолкнет читателей «Кванта» на размышления о неиспользованных возможностях нашего времени? Кстати, Фабрициусу, когда он открыл солнечные пятна, было немногим более 20 лет.