ذره بین چیست و چگونه کار می کند؟ – به زبان ساده

ذره بین همان طور که خواهیم گفت از عدسی بایکانوکس یا دو محدبی برای بزرگنمایی استفاده می‌کند. در این نوشتار در مورد ساختار ذره بین و ویژگی‌های آن صحبت خواهیم کرد.

واژه‌های کلیدی در بررسی ذره بین

برای آشنایی با کار و ویژگی‌های یک ذره بین لازم است که سه کلمه کلیدی که در ادامه از آن‌ها زیاد استفاده می‌شود را معرفی کنیم.

• عدسی یا لنز: جسمی که معمولاً از شیشه ساخته شده و نوری که از آن عبور می کند را متمرکز یا پراکنده می‌کند.
• دیوپتر: واحد اندازه گیری قدرت لنز یا آینه و برابر با معکوس فاصله کانونی آن بر حسب متر است. نزدیک بینی بر حسب دیوپتر تشخیص و اندازه گیری می‌شود.
• عدسی محدب: مانند قسمت بیرونی کاسه یا کره یا دایره‌ای است که به سمت بیرون خم شده است.

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

همچنین قبل از شروع بحث در مورد ذره بین‌ها و طرز کار آن‌ها یادآوری سه نکته ضروری است:

• بزرگنمایی یک ذره بین بستگی به محل قرارگیری آن در بین چشم کاربر و شی مورد مشاهده و فاصله کلی بین چشم و جسم دارد.
• قدرت بزرگنمایی برابر با نسبت اندازه تصاویر است که روی شبکیه چشم کاربر با و بدون لنز تشکیل شده است.
• بالاترین قدرت بزرگنمایی با قرار دادن لنز بسیار نزدیک به چشم و تغییر فاصله چشم و لنز در کنار هم به دست می‌آید تا بهترین فوکوس حاصل شود.

ذره بین چیست؟

ذره بین یک لنز محدب است که به مشاهده‌گر اجازه می‌دهد تصویر بزرگتری از جسم مورد مشاهده را با جزئیات بیشتری ببیند. همان طور که در تصویر زیر نشان داده شده است لنزها معمولاً در یک قاب با دسته بلند تهیه می‌شوند.

بزرگنمایی یک ذره بین بستگی به مکانی که عدسی بین چشم کاربر و شی مورد نظر قرار می‌گیرد و همچنین فاصله کلی بین چشم و جسم بستگی دارد. قدرت ذره بینی برابر با نسبت اندازه تصاویر ایجاد شده در شبکیه چشم کاربر با و بدون ذره بین است.

در صورت عدم استفاده از عدسی، کاربر معمولاً جسم را تا حد امکان بدون اینکه تار شود به چشم نزدیک می‌کند. این نقطه که به عنوان «نقطه نزدیک» (near point) شناخته می‌شود با توجه به سن فرد متفاوت است. در کودک خردسال این فاصله می‌تواند به اندازه پنج سانتی متر باشد، در حالی که در یک فرد بزرگسال این فاصله ممکن است به اندازه یک یا دو متر باشد. ذره بین‌ها به طور معمول با استفاده از یک مقدار استاندارد 0٫25m یا ۲۵ سانتی‌متری ساخته می‌شوند.

بالاترین قدرت بزرگنمایی با قرار دادن عدسی بسیار نزدیک به چشم و حرکت چشم و لنز در کنار هم تا رسیدن به بهترین فوکوس حاصل می‌شود. هنگامی که از این عدسی استفاده می‌شود، قدرت بزرگنمایی را می‌توان با معادله زیر پیدا کرد:

$$\large MP_0=\frac{1}{4}.\phi+1$$

که $$\phi$$ توان عدسی و برابر با معکوس فاصله کانونی است. وقتی ذره بین یا لنز محدب را نزدیک به جسم نگه داشته شود و چشم را حرکت دهیم بزرگنمایی ذره بین برابر است با:

$$\large MP_0=\frac{1}{4}.\phi$$

ذره بین‌های معمولی دارای فاصله کانونی ۲۵ سانتی متر هستند و توان اپتیکی آن‌ها ۴ دیوپتر است. این نوع شیشه‌ها تحت عنوان بزرگنمایی ۲ برابر و با علامت $$\times 2$$ فروخته می‌شوند اما یک ناظر معمولی با استفاده از این ابزار می‌تواند بزرگنمایی یک تا دو برابر را داشته باشد که این موضوع بستگی به مکان عدسی دارد.

اولین شواهد در مورد دستگاه بزرگنمایی عدسی مربوط به ارسطوفان در سال 424 سال قبل از میلاد مسیح بوده است که در آن زمان از کره‌ای شیشه‌ای پر از آب استفاده کردند. سنکا در این مورد نوشت که می‌توان از این وسیله برای خواندن حروف هر چقدر کوچک یا کم نور باشد، استفاده کرد. «راجر بیکن» (Roger Bacon) خصوصیات ذره بین را در قرن سیزدهم توصیف کرد و همچنین عینک‌های چشمی در قرن سیزدهم در ایتالیا تولید شدند.

ذره بین چگونه کار می‌کند؟

اندازه ظاهری جسمی که توسط چشم مشاهده می‌شود به زاویه‌ای که جسم نسبت به چشم قرار گرفته بستگی دارد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، جسم در A در زاویه بزرگتری از چشم نسبت به موقعیت قرار گرفتن در نقطه B دارد. بنابراین جسم در نقطه A تصویر بزرگتری در شبکیه را ($$OA^{\prime}$$) نسبت به زمانی که در B قرار گرفته است ($$OB^{\prime}$$) را تشکیل می‌دهد. بنابراین اجسامی که پرتوهای نوری از آن‌ها در زاویه‌های بزرگتری به چشم می‌رسند بزرگتر به نظر می‌رسند زیرا تصاویر بزرگتری را بر روی شبکیه تشکیل می‌دهند.

برای محاسبه بزرگنمایی یک ذره بین، زاویه تصویر را برای حالتی که از عدسی استفاده نکرده‌ایم با حالتی که از عدسی استفاده کرده‌ایم را با هم مقایسه می‌کنیم که این موضوع در شکل بالا نشان داده شده است.

در دو حالت فرض می‌کنیم جسم در نزدیکی چشم قرار گرفته است زیرا این حالتی است که چشم به صورت ساده می‌تواند بزرگترین تصویر را در شبکیه شکل دهد. با مقایسه اندازه تصویر در شبکیه برای حالتی که لنز در برابر چشم قرار گرفته است و حالتی که چیزی در برابر چشم قرار ندارد می‌توان بزرگنمایی را محاسبه کرد.

بزرگنمایی یک تصویر که با چشم مشاهده می‌شود، بزرگنمایی زاویه‌ای یعنی $$M$$ است که توسط نسبت بین زاویه تصویر نسبت به زاویه جسم بیان می‌شود و داریم:

$$\large M=\frac{\theta_{image}}{\theta_{object}}$$

حالتی که در تصویر بالا نشان داده شده است را در نظر بگیرید. در این حالت عدسی در فاصله $$l$$ از چشم قرار گرفته است و تصویری که با ذره بین تولید شده در فاصله $$L$$ از چشم قرار دارد. برای محاسبه بزرگنمایی زاویه‌ای برای هر مقدار دلخواهی از $$L$$ و $$l$$ به صورت زیر عمل می‌کنیم.

با در نظر گرفتن تقریب زاویه کوچک که به معنی برابر بودن زاویه، سینوس و تانژانت زاویه مورد نظر است، داریم:

$$\large \theta_{image}=\frac{h_i}{L}$$
$$\large \theta_{object}=\frac{h_o}{l}$$

بنابراین اندازه زاویه‌ای برای $$\theta_{object}$$ در نقطه‌ای در نزدیکی آینه برابر با $$\theta_{object}=\frac{h_o}{25}$$ است. در نتیجه بزرگنمایی زاویه‌ای برابر است با: