МОУ СОШ 1 г.п.п. Чистые Боры Буйского муниципального района Костромской области Камера обскура и стеноп Исследование выполнила: Белоусова Светлана, ученица 8 класса Руководитель: учитель физики Кутузова С. Н год

Исследовательская задача Исследуйте характеристики камеры -обскура и фотоаппарата-стенопа и найдите условия получения изображения оптимального качества «Комната, в которую вступил Иван Иванович, была совершенно темна, потому что ставни были закрыты; и солнечный луч, проходя в дыру, сделанную в ставне, принял радужный цвет и, ударяясь в противостоящую стену, рисовал на ней пёстрый ландшафт из очеретяных крыш, дерев и развешенного на дворе платья, всё только в обращённом виде. От этого всей комнате сообщался какой-то чудный полусвет.» Гоголь Н. В. «Комната, в которую вступил Иван Иванович, была совершенно темна, потому что ставни были закрыты; и солнечный луч, проходя в дыру, сделанную в ставне, принял радужный цвет и, ударяясь в противостоящую стену, рисовал на ней пёстрый ландшафт из очеретяных крыш, дерев и развешенного на дворе платья, всё только в обращённом виде. От этого всей комнате сообщался какой-то чудный полусвет.» Гоголь Н. В.

Камера - обскура Происхождение термина Происхождение термина (от лат.camera – комната и лат. (от лат.camera – комната и лат. obskura – тёмная) – тёмная комната, obskura – тёмная) – тёмная комната, так как первые камеры-обскуры представляли собой затемнённые помещения или большие ящики с отверстием в одной из стен. Простейшее устройство, позволяющее Простейшее устройство, позволяющее получить оптическое изображение получить оптическое изображение объектов, светонепроницаемый ящик с отверстием диаметром 0,5 – 5 мм в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стенке. Лучи света, проходя через отверстие создают изображение на экране. создают изображение на экране.

Они появились очень давно Камеры-обскуры известны с с 5 века до н.э. Они упоминаются или описываются у китайского философа Ми Ти, Аристотеля, арабского физика и математика 10 века ибн Аль-Хайтама Камеры-обскуры известны с с 5 века до н.э. Они упоминаются или описываются у китайского философа Ми Ти, Аристотеля, арабского физика и математика 10 века ибн Аль-Хайтама Леонардо да Винчи, Йоганнес Цан, Ян Вермеер и другие художники иногда использовали камеру-обскуру для создания своих произведений – пейзажей, портретов, бытовых зарисовок Леонардо да Винчи, Йоганнес Цан, Ян Вермеер и другие художники иногда использовали камеру-обскуру для создания своих произведений – пейзажей, портретов, бытовых зарисовок Старинное изображение фотокамеры с отверстием. Она позволяет получить неискажённые фотографии при очень больших экспозициях

Наша камера - обскура Мы сконструировали свою камеру из коробки. Внутренние стенки покрасили чёрной краской. В передней стенке сделали отверстие диаметром 2,5мм и ширму, в задней стенке в вырез вставили матовое стекло. Мы сконструировали свою камеру из коробки. Внутренние стенки покрасили чёрной краской. В передней стенке сделали отверстие диаметром 2,5мм и ширму, в задней стенке в вырез вставили матовое стекло. Расстояние от отверстия до задней стенки равно 30см Расстояние от отверстия до задней стенки равно 30см

Пробы … Проведение экспериментов с этой камерой заставило нас убедиться в том, что она не обеспечивает высокой резкости изображения. Проведение экспериментов с этой камерой заставило нас убедиться в том, что она не обеспечивает высокой резкости изображения. Мы попытались получить изображение свечи и получили его: перевёрнутое, действительное, при приближении свечи к отверстию – увеличенное, при удалении – уменьшенное. Мы попытались получить изображение свечи и получили его: перевёрнутое, действительное, при приближении свечи к отверстию – увеличенное, при удалении – уменьшенное.

Наша камера работает! На верхнем фото – изображение свечи уменьшенное, на нижнем – увеличенное На верхнем фото – изображение свечи уменьшенное, на нижнем – увеличенное Увидеть глазами смогли, но на цифровом фото изображение пламени растворилось в блике отражённого от стекла света вспышки Увидеть глазами смогли, но на цифровом фото изображение пламени растворилось в блике отражённого от стекла света вспышки А в соответствии с высказыванием Э. Золя «…нельзя утверждать, что вы видели что-то, пока вы не получили фотографию этого предмета.» А в соответствии с высказыванием Э. Золя «…нельзя утверждать, что вы видели что-то, пока вы не получили фотографию этого предмета.» Результат требовал продолжения проведения опытов Результат требовал продолжения проведения опытов И мы решили реконструировать камеру и провести видеосъёмку процесса И мы решили реконструировать камеру и провести видеосъёмку процесса

Реконструкция камеры Стекло заменили промасленной бумагой и провели видеосъёмку изображения пламени свечи повторно Стекло заменили промасленной бумагой и провели видеосъёмку изображения пламени свечи повторно Мы представляем несколько сюжетов съемки: Мы представляем несколько сюжетов съемки: 1. Общий план 2. Свеча на расстоянии от отверстия 20см 3. Свеча на расстоянии от отверстия 40см 4. Свеча на расстоянии от отверстия 30см 5. Свеча на расстоянии от отверстия 10см

Характеристики камеры Резкость изображения – достигается путём уменьшения диаметра отверстия. При сильном уменьшении сильно сказывается явление дифракции света, являющееся следствием его волновой природы. Дифракция приводит к размытию границ изображения, что ухудшает его качество. Обскура характеризуется бесконечно большой глубиной резко изображаемого пространства Резкость изображения – достигается путём уменьшения диаметра отверстия. При сильном уменьшении сильно сказывается явление дифракции света, являющееся следствием его волновой природы. Дифракция приводит к размытию границ изображения, что ухудшает его качество. Обскура характеризуется бесконечно большой глубиной резко изображаемого пространства Фокусное расстояние – для обскуры условно. За него принимают эквивалентное фокусное расстояние, равное расстоянию от отверстия до экрана – F. Фокусное расстояние – для обскуры условно. За него принимают эквивалентное фокусное расстояние, равное расстоянию от отверстия до экрана – F. Число диафрагмы – это отношение F/D, где D – диаметр отверстия Число диафрагмы – это отношение F/D, где D – диаметр отверстия Экспозиция – это величина, характеризующая количество световой энергии, получаемой светочувствительным материалом при съёмке. Экспозиция – это величина, характеризующая количество световой энергии, получаемой светочувствительным материалом при съёмке. Пусть Н – экспозиция, Е – освещённость экрана, t – время экспонирования (выдержка), тогда: Н = Е t Пусть Н – экспозиция, Е – освещённость экрана, t – время экспонирования (выдержка), тогда: Н = Е t Для более удалённых предметов выдержка должна быть меньше, а для более близких – больше. Для более удалённых предметов выдержка должна быть меньше, а для более близких – больше.

Отверстие – линза На круглом отверстии неизбежно возникает такое явление, как дифракция света. Именно она влияет на резкость и мягкость изображения. Поэтому важным моментом получения качественного изображения является диафрагмирование, т. е. подбор диаметра отверстия, «золотой середины», чтобы оно было ни мало, ни велико. На круглом отверстии неизбежно возникает такое явление, как дифракция света. Именно она влияет на резкость и мягкость изображения. Поэтому важным моментом получения качественного изображения является диафрагмирование, т. е. подбор диаметра отверстия, «золотой середины», чтобы оно было ни мало, ни велико. Введём для отверстия понятия, аналогичные тем, которые вводятся для идеальной линзы. Введём для отверстия понятия, аналогичные тем, которые вводятся для идеальной линзы.

Схема хода лучей в отверстии

Фокусы круглого отверстия По теореме Пифагора: По теореме Пифагора: ( D/2)² = [ х +Δ) ² - х² ( D/2)² = [ х +Δ) ² - х² или D²/4 = 2 Δ х + Δ² Величина Δ² мала по сравнению с остальными, ею можно пренебречь. Тогда Величина Δ² мала по сравнению с остальными, ею можно пренебречь. Тогда х = D²/8 Δ (1) х = D²/8 Δ (1) Согласно критерию Рэлея разность хода Δ не должна превышать четверти длины волны, то есть 0 Δ λ/4 0 Δ λ/4 Подставим Δ в формулу (1) и получим D²/2 λ х < (2) Кроме множества точек (2), критерием Рэлея определяется и симметрично расположенное ему относительно центра отверстия множество точек - < х - D²/2 λ (3)

Отверстие имеет действительный и мнимый фокусы Оба множества точек - это изображение бесконечно удалённого источника света, лежащего на главной оптической оси отверстия. Но такие точки принято называть фокусами системы. Таким образом, множества (2) и (3) и есть фокусы круглого отверстия! Оба множества точек - это изображение бесконечно удалённого источника света, лежащего на главной оптической оси отверстия. Но такие точки принято называть фокусами системы. Таким образом, множества (2) и (3) и есть фокусы круглого отверстия! Нам известно, что у собирающей линзы фокус действительный, а у рассеивающей – мнимый. Нам известно, что у собирающей линзы фокус действительный, а у рассеивающей – мнимый. Но как показывают выражения (2) и (3) отверстие имеет как действительный, так и мнимый фокусы. Следовательно, прорезанное в непрозрачном экране отверстие действует и как собирающая, и как рассеивающая линза. Но как показывают выражения (2) и (3) отверстие имеет как действительный, так и мнимый фокусы. Следовательно, прорезанное в непрозрачном экране отверстие действует и как собирающая, и как рассеивающая линза. Значит, для отверстия справедливы все формулы, выведенные для идеальной линзы, только вместо значения фокусного расстояния линзы нужно подставлять множество значений фокусных расстояний круглого отверстия. Значит, для отверстия справедливы все формулы, выведенные для идеальной линзы, только вместо значения фокусного расстояния линзы нужно подставлять множество значений фокусных расстояний круглого отверстия.

Наш стеноп Стеноп – это фотографический аппарат без объектива. Роль объектива выполняет отверстие. Изображения, получаемые с помощью таких камер, отличаются своеобразным мягким рисунком, идеальной перспективой и большой глубиной резкости. Стеноп – это фотографический аппарат без объектива. Роль объектива выполняет отверстие. Изображения, получаемые с помощью таких камер, отличаются своеобразным мягким рисунком, идеальной перспективой и большой глубиной резкости. Для своего стенопа мы воспользовались фотокамерой «Смена-8М», сняли объектив и закрыли отверстие фольгой. Затем произвели несколько съёмок пейзажа за окном, меняя диаметр отверстия и выдержку. Для своего стенопа мы воспользовались фотокамерой «Смена-8М», сняли объектив и закрыли отверстие фольгой. Затем произвели несколько съёмок пейзажа за окном, меняя диаметр отверстия и выдержку. На верхнем снимке диаметр отверстия – 3 мм, на нижнем – На верхнем снимке диаметр отверстия – 3 мм, на нижнем – 0,5 мм. 0,5 мм.

Итак, что влияет на качество изображения: Верно подобранный для заданного расстояния от объекта съёмки до отверстия его диаметр Верно подобранный для заданного расстояния от объекта съёмки до отверстия его диаметр Выдержка - продолжительность пребывания отверстия открытым Выдержка - продолжительность пребывания отверстия открытым Экспозиция – отношение между диаметром отверстия и его положением относительно светочувствительного элемента Экспозиция – отношение между диаметром отверстия и его положением относительно светочувствительного элементаТогда резкость изображения получится наибольшей, а, значит, качество снимка, выполненного стенопом или картинки в камере-обскуре, будут наилучшими. резкость изображения получится наибольшей, а, значит, качество снимка, выполненного стенопом или картинки в камере-обскуре, будут наилучшими.

Результаты эксперимента – фото, полученные при помощи стенопа D=0,48мм t=5с D=0,48мм t=20с

Увеличили диаметр отверстия стенопа D=1,25мм t=20с D=1,25мм t=5с

Выводы Мы выяснили что лучшие фотографии получились с помощью стенопа или камеры Обскуры, где диаметр отверстия-0,48мм с выдержкой- 5с,так же неплохие фотографии получились с диаметром-1,25мм с выдержкой 20с. Мы выяснили что лучшие фотографии получились с помощью стенопа или камеры Обскуры, где диаметр отверстия-0,48мм с выдержкой- 5с,так же неплохие фотографии получились с диаметром-1,25мм с выдержкой 20с. Для того чтобы получить фотографии оптимального качества нужно взять диаметр отверстия около 1мм с выдержкой 10с. Для того чтобы получить фотографии оптимального качества нужно взять диаметр отверстия около 1мм с выдержкой 10с.

Заключение В ходе проведения работы возникло более глубокое понимание вопросов, связанных с темой «Световые явления». В ходе проведения работы возникло более глубокое понимание вопросов, связанных с темой «Световые явления». Мы поняли, что путь к современной фотографии был непростым и долгим Мы поняли, что путь к современной фотографии был непростым и долгим Было интересно самим получить изображение свечи с помощью коробки с отверстием и фотографий камерой без объектива, выполненной на базе фотоаппарата «Смена 8М». Было интересно самим получить изображение свечи с помощью коробки с отверстием и фотографий камерой без объектива, выполненной на базе фотоаппарата «Смена 8М». Диаметры отверстий стенопа считали равными диаметрам игл, шила и спицы, которыми делали проколы. А диаметры последних измеряли микрометром. Диаметры отверстий стенопа считали равными диаметрам игл, шила и спицы, которыми делали проколы. А диаметры последних измеряли микрометром. При выполнении измерений имели место погрешности. При выполнении измерений имели место погрешности.

Литература Колтун М. Мир физики, М.;«Детская литература» 1987 Колтун М. Мир физики, М.;«Детская литература» 1987 Гальперштейн Л. Здравствуй, физика, М.; «Детская литература» 1973 Гальперштейн Л. Здравствуй, физика, М.; «Детская литература» 1973 Штейнтгауз А.И. Девять цветов радуги, М.; «Госиздат» 1963 Штейнтгауз А.И. Девять цветов радуги, М.; «Госиздат» 1963 Журнал «Квант» Журнал «Квант»