Принцип работы и назначение телескопа
ГОУ Центр образования №548 «Царицыно»
Степанова Ольга Владимировна
Реферат по астрономии
Тема реферата: «Принцип работы и назначение телескопа»
Учитель: Закурдаева С.Ю
Лудза 2007
Оглавление
1. Введение
2. История телескопа
3. Виды телескопов. Основные назначения и принцип работы телескопа
4. Рефракторные телескопы
5. Рефлекторные телескопы
6. Зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрические)
7. Радиотелескопы
8. Космический телескоп «Хаббл»
9. Заключение
10. Список использованной литературы
1. Введение
Звёздное небо очень красивое, оно привлекает к себе большой интерес и внимание. С давних пор люди пытались познать, что есть вне планеты Земля. Желание познать и изучить двигало людей к поиску возможностей изучения космоса, поэтому был изобретён телескоп. Телескоп – одно из главных приборов, который помогал и помогает изучать космос, звёзды, планеты. Я считаю, что важно знать об этом приборе, потому что каждый из нас хоть раз смотрел или же обязательно когда-нибудь посмотрит в телескоп. И обязательно откроет для себя что-нибудь неописуемо красивое и новое.
Астрономия является одной из древнейших наук, истоки которой относятся к каменному веку (VI – III тысячелетия до н.э.). Астрономия изучает движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем.
Человек начал изучать Вселенную с того, что видел в небе. И на протяжении многих веков астрономия оставалась чисто оптической наукой.
Человеческий глаз – весьма совершенный оптический прибор, созданный природой. Он способен улавливать даже отдельные кванты света. С помощью зрения человек воспринимает более 80% информации о внешнем мире. Академик С.И.Вавилов пришёл к выводу, что глаз человека способен улавливать ничтожные порции света – всего около десятка фотонов. С другой стороны, глаз может выдерживать воздействие мощных световых потоков, например, от Солнца, прожектора или электрической дуги. Кроме того, человеческий глаз представляет собой весьма совершенную широкоугольную оптическую систему с большим углом зрения. Тем не менее, у глаза с точки зрения требований астрономических наблюдений имеются и весьма существенные недостатки. Главный из них состоит в том, что он собирает слишком мало света. Поэтому, глядя на небо невооруженным глазом, мы видим далеко не всё. Мы различаем, например, всего немногим более двух тысяч звезд, в то время как их там миллиарды миллиардов.
Поэтому в астрономии произошла настоящая революция, когда на помощь глазу пришел телескоп. Телескоп – это основной прибор, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приёма и анализа происходящего от них излучения. Так же при помощи телескопов делают исследования спектральных излучений, рентгеновские фотографии, фотографии небесных объектов в ультрофиалете и др. Слово «телескоп» происходит от двух греческих слов: tele – далеко и skopeo – смотрю.
2. История телескопа
Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Известно, что еще древние употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас и легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бекон, один из наиболее замечательных ученных и мыслителей XIII века, он изобрел такую комбинацию линз, с помощью которой отдаленные предметы при рассматривании их кажутся близкими.
Так ли это было в действительности – неизвестно. Бесспорно, однако, что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении подзорной трубы заявили три оптика – Липерсчей, Меунус, Янсен. К концу 1608 года первые подзорные трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических инструментах быстро распространились по Европе.
Первый телескоп был
построен в 1609 году итальянским астрономом Галилео Галилеем.Галилео. Галилей
родился в 1564 году в итальянском городе Пиза. Как сын дворянина Галилей
получил образование при монастыре и в 1595 году стал профессором математики в
Падуанском университете, одном из ведущих
европейских университетов того времени, расположенном на территории
Венецианской республики. Руководство университета позволяло заниматься
исследованиями, и его открытия о движении тел завоевали широкое признание. В
1609 году до него дошли сведения об изобретении оптического устройства,
позволявшего наблюдать отдаленные небесные объекты. За короткое время Галилей
изобрёл и соорудил несколько собственных телескопов. Телескоп имел скромные
размеры (длина трубы
Телескоп Галилея
Рисунок 1. Телескоп Галилея
Линза А, обращенная к объекту наблюдения, называется Объективом, а линза В, к которой прикладывает свой глаз наблюдатель – Окуляр. Если линза толще посередине, чем на краях, она называется Собирающей или Положительной, в противном случае – Рассеивающей или Отрицательной. В телескопе Галилея объективом служила плоско - выпуклая линза, а окуляром – плоско – вогнутая.
Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется Оптической осью линзы. Если на такую линзу попадают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой Фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до её фокуса называют фокусным расстоянием. Чем больше кривизна поверхностей собирающей линзы, тем меньше фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.
Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Попадающий на них параллельно оптической оси пучок света они рассеивают и в фокусе такой линзы сходятся не сами лучи, а их продолжения. Потому рассеивающие линзы имеют, как говорят, мнимый фокус и дают мнимое изображение. На (рис. 1) показан ход лучей в галилеевском телескопе. Так как небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то изображения их получаются в фокальной плоскости, т.е. в плоскости, проходящей через фокус F и перпендикулярной оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение MN. Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле зрения (так называют угловой поперечник кружка тела, видимого в телескоп). Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его очень трудно. По той же причине галилеевские телескопы после смерти их создателя в астрономии не употреблялись.
Очень плохое
качество изображения в первых телескопах заставило оптиков искать пути решения
этой проблемы. Оказалось, что увеличение фокусного расстояния объектива
значительно улучшает качество изображения. В результате этого в XVII веке на
свет появились телескопы с фокусным расстоянием почти
3. Виды телескопов. Основные назначения и принцип работы телескопа
Телескопы, как известно, бывают нескольких видов. Среди телескопов для визуального наблюдения(оптические) выделяют 3 типа:
1. Рефракторные
Используется система линз. Лучи света от небесных объектов собираются при помощи линзы и путём преломления попадает в окуляр телескопа и даёт увеличенное изображение космического объекта.
2. Рефлекторы
Основным компонентом такого телескопа является вогнутое зеркало. Оно используется для фокусирования отражённых лучей.
3. Зеркально– линзовые
В данном типе оптических телескопов используется система зеркал и линз.
Оптическими телескопами, как правило, пользуются астрономы - любители.
Учёные для своих наблюдений и анализов используют дополнительные виды телескопов. Радиотелескопы используют для приёма радиоизлучений. Например всем известная программа по поиску внеземного разума под названием HRMS, которая подразумевала одновременное прослушивание радиошумов неба на миллионах частот. Деятелями этой программы были NASA. Началась данная программа в 1992 году. Но сейчас она ни каких поисков уже не ведёт. В рамках этой программы были проведены наблюдения с помощью 64-метрового Радиотелескопа в Параксе (Австралия), в национальной радиоастрономической обсерватории в США и на 305 - метровом радиотелескопе в Аресибо, но они не дали результатов.
Телескоп имеет три основных назначения:
- Собирать излучения от небесных светил на приемное устройство (глаз, фотографическую пластинку, спектрограф и др.);
- Строить в своей фокальной плоскости изображение объекта или определенного участка неба;
- Помочь различать объекты, расположеные на близком угловом расстоянии друг от друга и поэтому неразличимые невооруженным глазом.
Принцип работы телескопа заключается не в увеличении объектов, а в сборе света. Чем больше у него размер главного светособирающего элемента - линзы или зеркала, тем больше света он собирает. Важно, что именно общее количество собранного света в конечном счете определяет уровень детализации видимого - будь то удаленный ландшафт или кольца Сатурна. Хотя увеличение, или сила для телескопа тоже важно, оно не имеет решающего значения в достижении уровня детализации.
4. Рефракторные телескопы
Преломляющие
телескопы, или рефракторы, в качестве главного светособирающего элемента
используют большую линзу-объектив. Рефракторы всех моделей включают
ахроматические (двухэлементные) объективные линзы - таким образом сокращается
или практически устраняется ложный цвет, который влияет на получаемый образ,
когда свет проходит через линзу. При создании и установке больших стеклянных
линз возникает ряд трудностей; кроме того, толстые линзы поглощают слишком
много света. Самый большой рефрактор в мире, имеющий объектив с линзой
диаметром в
При создании
рефрактора два обстоятельства определяли успех: высокое качество оптического
секла и искусство его шлифовки. По почину Галилея многие из астрономов сами
занимались изготовлением линз. Пьера Гинан, учёный XVIII,
решил научиться изготовлять рефракторы. В 1799 году Гинану удалось
отлить несколько отличных дисков поперечником от 10 до
В 1878 году Пулковская обсерватория обратилась к фирме Кларка с заказом на изготовление 30-дюймового рефрактора, самого крупного в мире. На изготовление этого телескопа российское правительство ассигновало 300000 рублей. Заказ был выполнен за полтора года, причем объектив изготовил сам Альван Кларк из стекол парижской фирмы Фейль, а механическая часть телескопа была сделана немецкой фирмой Репсальд.
Новый Пулковский рефрактор оказался превосходным, одним из лучших рефракторов мира. Но уже в 1888 году на горе Гамильтон в Калифорнии начала свою работу Ликская обсерватория, оснащенная 36-дюймовым рефрактором Альвана Кларка. Отличные атмосферные условия сочетались здесь с превосходными качествами инструмента.
Рефракторы Кларка сыграли огромную роль в астрономии. Они обогатили планетарную и звездную астрономию открытиями первостепенного значения. Успешная работа на этих телескопах продолжается и поныне.
Рисунок 2. Рефракторный телескоп
Рисунок 3. Рефракторный телескоп
5. Рефлекторные телескопы
Все большие астрономические телескопы представляют собой рефлекторы. Рефлекторные телескопы популярны и у любителей, поскольку они не так дороги, как рефракторы. Это отражающие телескопы, и для сбора света и формирования изображения в них используется вогнутое главное зеркало. В рефлекторах ньютоновского типа, маленькое плоское вторичное зеркало отражает свет на стенку главной трубы.
Главное преимущество рефлекторов – отсутствие у зеркал хроматической аберрации. Хроматическая аберрация – искажение изображения, связанное с тем, что световые лучи различных длин волн собираются после прохождения линзы не различном расстоянии от неё; в результате изображение размывается и края его окрашиваются. Изготовление зеркал – дело более легкое, чем шлифовка огромных линзовых объективов, и это также предрешило успех рефлекторов. Из-за отсутствия хроматических аберраций рефлекторы можно делать очень светосильными (до 1:3), что совершенно немыслимо для рефракторов. При изготовлении рефлекторы обходятся гораздо дешевле, чем равные по диаметру рефракторы.
Есть, конечно, недостатки и у зеркальных телескопов. Их трубы открыты, и токи воздуха внутри трубы создают неоднородности, портящие изображение. Отражающие поверхности зеркал сравнительно быстро тускнеют и нуждаются в восстановлении. Для отличных изображений требуется почти идеальная форма зеркал, что трудно исполнить, так как в процессе работы форма зеркал слегка меняется от механических нагрузок и колебаний температуры. И все-таки рефлекторы оказались наиболее перспективным видом телескопов.
В 1663 году Грегори создал схему телескопа-рефлектора. Грегори первым предложил использовать в телескопе вместо линзы зеркало.
В 1664 году Роберт Гук изготовил рефлектор по
схеме Грегори, но качество телескопа оставляло желать лучшего. Лишь в 1668 году
Исаак Ньютон, наконец, построил первый действующий рефлектор. Этот крошечный
телескоп по размерам уступал даже галилеевским трубам. Главное вогнутое
сферическое зеркало из полированной зеркальной бронзы имело в поперечнике всего
В 1671 году
Ньютон соорудил второй рефлектор, чуть больше первого (диаметр главного зеркала
был равен
Рисунок 4. Рефлекторный телескоп
Рисунок 5. Рефлекторный телескоп (система Ньютона)
6. Зеркально– линзовые телескопы (катадиоптрические)
Стремление свести к минимуму всевозможные аберрации телескопов рефлекторов и рефракторов привело к созданию комбинированных зеркально-линзовых телескопов. Зеркально-линзовые (катадиоптрические) телескопы используют как линзы, так и зеркала, за счет чего их оптическое устройство позволяет достичь великолепного качества изображения с высоким разрешением, при том, что вся конструкция состоит из очень коротких портативных оптических труб.
В этих инструментах функции зеркал и линз разделены таким образом, что зеркала формируют изображение, а линзы исправляют аберрации зеркал. Первый телескоп такого типа был создан жившим в 1930 году в Германии оптиком Б. Шмидтом. В телескопе Шмидта главное зеркало имеет сферическую отражающую поверхность, а значит, тем самым отпадают трудности, связанные с параболизацией зеркал. Естественно, что сферическое зеркало большого диаметра обладает весьма заметными аберрациями, в первую очередь сферической. Сферическая аберрация – это искажение в оптических системах, связанное с тем, что световые лучи от точечного источника, расположенного на оптической оси, не собираются в одну точку с лучами, прошедшими через удалённые от оси части системы. Для того чтобы максимально уменьшить эти аберрации, Шмидт поместил в центре кривизны главного зеркала тонкую стеклянную коррекционную линзу. На глаз она кажется обыкновенным плоским стеклом, но на самом деле поверхность ее очень сложная (хотя отклонения от плоскости не превышают нескольких сотых долей мм.). Она рассчитана так, чтобы исправить сферическую аберрацию, кому и астигматизм главного зеркала. При этом происходит как бы взаимная компенсация аберраций зеркала и линзы. Хотя в системе Шмидта остаются неисправленными второстепенные аберрации, телескопы такого вида заслуженно считаются лучшими для фотографирования небесных тел. Главная беда телескопа Шмидта заключается в том: из-за сложной формы коррекционной пластинки изготовление её сопряжено с огромными трудностями. Поэтому создание крупных камер Шмидта – редкое событие в астрономической технике.
В 1941 году известный советский оптик Д. Д. Максутов изобрел новый тип зеркально-линзового телескопа, свободного от главного недостатка камер Шмидта. В системе Максутова как и в системе Шмидта главное зеркало имеет сферическую вогнутую поверхность. Однако вместо сложной коррекционной линзы Максутов использовал сферический мениск – слабую рассеивающую выпукло-вогнутую линзу, сферическая аберрация которой полностью компенсирует сферическую аберрацию главного зеркала. А так как мениск слабо изогнут и мало отличается от плоско - параллельной пластинки, хроматическую аберрацию он почти не создает. В системе Максутова все поверхности зеркала и мениска сферические, что сильно облегчает их изготовление.
Рисунок 5. Зеркально-линзовый телескоп
7. Радиотелескопы
Радиоизлучение из космоса достигает поверхности Земли без значительного поглощения. Для его приёма построены самые крупные астрономические инструменты – радиотелескопы. Радиотелескоп – это астрономический инструмент, предназначенный для исследования небесных тел в диапазоне радиоволн. Принцип действия радиотелескопа основан на приеме и обработке радиоволн и волн других диапазонов электромагнитного спектра от различных источников излучения. Такими источниками являются: Солнце, планеты, звезды, галактики, квазары и другие тела Вселенной, а так же газ. Металлические зеркала-антенны, которые достигают в диаметре нескольких десятков метров, отражают радиоволны и собирают их подобно оптическому телескопу-рефлектору. Для регистрации радиоизлучения используются чувствительные радиоприёмники.
Благодаря соединению отдельных телескопов удалось значительно повысить их разрешение. Радиоинтерферометры гораздо «зорче» обычных радиотелескопов, так как они реагируют на очень малые угловые смещения светила, а значит, позволяют исследовать объекты с небольшими угловыми размерами. Иногда, радиоинтерферометры состоят не из двух, а из нескольких радиотелескопов.
8. Космический телескоп «Хаббл»
С выводом на
орбиту телескопа имени Хаббла (HUBBLE SPACE TELESCOPE - HST), астрономия
сделала гигантский рывок вперед. Будучи расположенным за пределами земной атмосферы,
HST может фиксировать такие объекты и явления, которые не могут быть
зафиксированы приборами на Земле. Изображения объектов, наблюдаемых с помощью
наземных телескопов, выглядят расплывчатыми из-за атмосферной рефракции, а
также из-за дифракции в зеркале объектива. Телескоп «Хаббл» позволяет вести более
детальные наблюдения. Проект HST был разработан в НАСА при участии Европейского
Космического Агентства (ESA). Этот телескоп-рефлектор, диаметром
С помощью космического телескопа «Хаббл» астрономы смогли более точно измерить расстояния до звёзд и галактик, уточнив связь между средней абсолютной величиной цефеид и периодом изменения их блеска. Эта связь затем использовалась для более точного определения расстояний до других галактик через наблюдение отдельных цефеид в этих галактиках. Цефеиды – это пульсирующие переменные звёзды, блеск которых плавно меняется в определённых пределах за постоянный период, составляющий от 1 до 50 суток. Большим сюрпризом для астрономов, использующих телескоп «Хаббл», было открытие скоплений галактик в направлениях, которые ранее считались пустым космическим пространством.
9. Заключение
Наш мир очень стремительно меняется. В сфере изучений и науки наблюдается прогресс. Каждое новое изобретение является началом для последующих изучений какой-либо сферы и создания чего-нибудь нового или более усовершенствованного. Так и в астрономии - с созданием телескопа было открыто множество нового, а началось все с создания простого, с точки зрения нашего времени, телескопа Галилея. На сегодняшний день человечество смогло даже вынести телескоп в космос. Мог ли об этом подумать Галилей, когда создавал свой телескоп?
Принцип работы телескопа заключается не в увеличении объектов, а в сборе света. Чем больше у него размер главного светособирающего элемента - линзы или зеркала, тем больше света он собирает. Важно, что именно общее количество собранного света, в конечном счете, определяет уровень детализации видимого.
В итоге телескоп имеет три основных назначения: он собирает излучения от небесных светил на приемное устройство; строит в своей фокальной плоскости изображение объекта или определенного участка неба; помогает различать объекты, расположеные на близком угловом расстоянии друг от друга и поэтому неразличимые невооруженным глазом.
В наше время невозможно представить изучение астрономии без телескопов.
Список использованной литературы
- Б.А.Воронцов-Вельяминов,
Е.К.Страут, Астрономия 11 класс;
- В.Н.Комаров,
Увлекательная астрономия,
- Джим
Брейтот, 101 ключевая идея: астрономия; М.,
- http://mvaproc.narod.ru
- http://infra.sai.msu.ru
- http://www.astrolab.ru
- http://referat.ru; реферат Юрия Круглова по физике на тему
«Устройство, назначение, принцип работы, типы и история телескопа».
8. http://referat.wwww4.com; реферат Виталия Фомина на тему «Принцип
работы и назначение телескопа».