3 fakta o Galileově dalekohledu: co, práce, objevy

Významný astronom Galileo Galilei navrhl v roce 1609 variantu refrakčního dalekohledu, známou jako Galilejský dalekohled. Teleskopický design zahrnoval konvergentní (plano-konvexní) čočku jako objektiv a divergentní (plano-konkávní) čočku jako okulár. Galileův dalekohled vytvořil neinvertovaný a svislý obraz, protože konstrukce nemá žádné zprostředkující zaměření.

Zpočátku mohl dalekohled navržený Galileem zvětšit objekty jen asi 30krát. Tento původní design nebyl bez vad, jako je úzké zorné pole a tvar čočky. Tak vznikly rozmazané a zkreslené snímky. Navzdory těmto nedostatkům však Galileo účinně používal dalekohled ke studiu a zkoumání oblohy. Objev čtyř měsíců Jupitera a studium fází Venuše byly některé z pozoruhodných prací Galileo pomocí tohoto dalekohledu.

Jak funguje galileovský dalekohled?

Galilejský dalekohled
Optický diagram galileovského dalekohledu y - Vzdálený objekt; y ′ - Skutečný obraz z objektivu; y ″ - Zvětšený virtuální obraz z okuláru; D - průměr vstupní zornice; d - Virtuální průměr výstupní pupily; L1 - Objektiv ; L2 - Objektiv okuláru e - Virtuální výstupní žák - Dalekohled se rovná TamasflexGalileantelescopeCC BY-SA 3.0

Galileův dalekohled funguje tak, že ke shromažďování světla a vytváření obrazu používá konvexní čočku objektivu a k pozorování konkávní čočku okuláru. Tato konstrukce vytváří vzpřímený obraz, na rozdíl od převráceného obrazu ve většině dalekohledů. Obvykle má úzké zorné pole a menší zvětšení, přibližně 3x až 30x.

Teleskopická konstrukce zahrnovala konvergentní (plano-konvexní nebo bikonvexní) čočku jako objektiv a divergentní (plano-konkávní nebo bikonkávní) čočku jako okulár. Okulár je umístěn před ohniskovým bodem objektivu a má vzdálenost rovnající se ohniskové vzdálenosti okuláru. Konvergující čočka má kladný optický výkon a rozbíhající se čočka záporný optický výkon. Proto se algebraický součet ohniskových vzdáleností čoček rovná vzdálenosti mezi objektivem a okulárem.

Rozbíhající se čočka okuláru zachycuje sbíhající se paprsky, které jsou přesměrovány z objektivu, a vykresluje je rovnoběžně, čímž vytváří obraz v nekonečnu, který je virtuální, zvětšený a vztyčený. Neparalelní paprsky světla dopadající pod úhlem α1 k pohybu optické osy pod úhlem α2 větší než α1 po průchodu okulárem. Poměr mezi ohniskovou vzdáleností okuláru a objektivem určuje zvětšení systému. Galileův dalekohled má extrémně úzké zorné pole, a proto se v praxi mohou zvětšit pouze třicetkrát. 

Hloubková analýza uspořádání čočky

Vlastnosti objektivu

  • Rozptyl průměru (50 mm – 100 mm): Průměr čočky objektivu je kritický pro určení schopnosti dalekohledu zachycovat světlo. Větší průměry umožňují pronikání více světla, což zlepšuje viditelnost slabých objektů.
  • Kvalita materiálu (vysoce kvalitní optické sklo): Kvalita skla použitého v čočce objektivu hraje zásadní roli při snižování optických aberací a zlepšování čistoty obrazu.
  • Rozsah ohniskové vzdálenosti (F O ) (500 mm – 1500 mm): Ohnisková vzdálenost čočky objektivu určuje potenciální zvětšení dalekohledu. Delší ohnisková vzdálenost poskytuje užší zorné pole, ale vyšší zvětšení.

Charakteristika okuláru

  • Rozsah průměru (15 mm – 25 mm): Průměr okuláru ovlivňuje zorné pole a snadnost sledování. Větší průměr okuláru může nabídnout pohodlnější zážitek ze sledování, ale může snížit celkové zvětšení.
  • Konzistence materiálu (odpovídající optickému sklu): Konzistence materiálu mezi čočkami objektivu a okuláru zajišťuje jednotnou optickou kvalitu a koherenci obrazu.
  • Ohnisková vzdálenost (F E ) (25 mm – 50 mm): Ohnisková vzdálenost okuláru nepřímo ovlivňuje zvětšení. Kratší ohniskové vzdálenosti v okuláru mají za následek vyšší zvětšení.

Ohniskové vzdálenosti a zvětšení:

Typ objektivuRozsah ohniskové vzdálenostiDopad na dalekohled
Objektivní500mm - 1500mmUrčuje úroveň detailů a kapacitu sběru světla
Okulár25mm - 50mmOvlivňuje zvětšení a zorné pole
  • Vzorec zvětšení: M = \frac{\text{Ohnisková vzdálenost objektivu}}{\text{Ohnisková vzdálenost okuláru}}
  • Příklad výpočtu: F O = 1000 mm, F E = 25 mm, tedy M = 40x.
  • Maximální praktické zvětšení: Přibližně 20-30x průměr čočky objektivu (v mm).

Pokročilá fyzika a mechanika za Galileovým dalekohledem

Světelná dráha a tvorba obrazu

Role objektivu

  • Funkčnost: Čočka objektivu, konvexní čočka, je primární komponentou zodpovědnou za zachycení světla. Jeho zakřivený povrch způsobuje, že se světelné paprsky ze vzdáleného objektu sbíhají směrem k ohnisku.
  • Charakteristika obrazu: Vytvořený obraz je skutečný (lze ho promítnout na plátno), převrácený (vzhůru nohama) a zmenšený ve srovnání s původním objektem.
  • Optické principy: Na základě principů lomu určuje stupeň zakřivení čočky ohniskovou vzdálenost. Čočka s delší ohniskovou vzdáleností (méně zakřivená) vytvoří obraz blíže k objektivu, zatímco kratší ohnisková vzdálenost (více zakřivená) přiblíží ohnisko k objektivu.

Proces tvorby obrazu

  • Místo formace: Skutečný obraz je vytvořen v bodě, který je mírně uvnitř ohniskové vzdálenosti čočky objektivu. Toto umístění je klíčové pro dosažení správného zvětšení a orientace obrazu v konečném vizuálním výstupu.
  • Vliv ohniskové vzdálenosti: Vzdálenost mezi čočkou a bodem, kde se obraz tvoří (ohnisková vzdálenost), určuje velikost obrazu. Delší ohnisková vzdálenost vytváří menší, detailnější obraz, vhodný pro astronomická pozorování.

Funkce okuláru

  • Divergence světelných paprsků: Okulár, konkávní čočka, přijímá přicházející konvergentní světelné paprsky z čočky objektivu a rozbíhá je. Tato divergence je klíčem k vytvoření virtuálního obrazu.
  • Charakteristika obrazu: Čočka okuláru transformuje skutečný, převrácený obraz na virtuální, vzpřímený a zvětšený obraz. Virtuální obraz je to, co je vnímáno okem a jeví se, jako by se nacházel v určité vzdálenosti za okulárem.
  • Faktor zvětšení: Síla zvětšení dalekohledu je do značné míry ovlivněna okulárem. Kratší ohnisková vzdálenost okuláru má za následek větší zvětšení, takže objekty vypadají blíže a větší.

Mechanika vnímání vzpřímeného obrazu

Metoda optické korekce

  • Korekce inverze: Jedinečným aspektem Galileova dalekohledu je jeho schopnost korigovat převrácený obraz vytvořený čočkou objektivu. Toho je dosaženo konkávní čočkou okuláru.
  • Princip činnosti: Když je skutečný, převrácený obraz tvořen čočkou objektivu, funguje jako „objekt“ pro čočku okuláru. Čočka okuláru pak vytváří virtuální obraz, který je vzpřímený vzhledem k původnímu objektu. K tomu dochází, protože rozbíhavá čočka způsobuje, že se světelné paprsky rozprostírají, čímž se obrátí inverze způsobená čočkou objektivu.
  • Výhoda vzpřímeného obrazu: Tato funkce vytváření vzpřímeného obrazu byla zvláště výhodná při pozemských pozorováních, kde by převrácený obraz byl dezorientující nebo nepraktický.

Praktické aplikace a uživatelská příručka

Sestavení Galileova dalekohledu

  1. Výběr a zarovnání objektivu
    • Objektiv objektivu: Vyberte objektiv s vhodným průměrem a ohniskovou vzdáleností. Ujistěte se, že je středově vyrovnán v trubici.
    • Objektiv okuláru: Vyberte okulár se správným průměrem a ohniskovou vzdáleností. Pro optimální kvalitu obrazu je zásadní zarovnání s čočkou objektivu.
  2. Konstrukce trubek
    • Materiál: Pro trubku použijte odolný, lehký materiál. Interiér by měl být nereflexní a tmavý, aby se minimalizovaly odrazy vnitřního světla.
    • Délka: Délka tubusu by měla být o něco větší než kombinovaná ohnisková vzdálenost objektivu a čočky okuláru.

Odborné pozorovací techniky

  • Nastavení zaostření: Upravte vzdálenost mezi čočkami pro nejostřejší obraz. To může vyžadovat posuvný mechanismus nebo šroubové nastavení v dalekohledu.
  • Úvahy o životním prostředí: Zvažte atmosférické podmínky, jako je vlhkost, teplota a světelné znečištění. Tyto faktory mohou výrazně ovlivnit kvalitu pozorování.

Omezení a inovace

Zorné pole a optické zkreslení: Detailní pohled

  • Specifikace zorného pole: Galileův dalekohled obecně nabízí zorné pole mezi 2° a 3°. To je podstatně užší než mnoho moderních dalekohledů, které mohou mít zorné pole až 50° nebo více.
Typ aberaceVliv na obrázekPoznámky
ChromatickýBarevné třásněVýraznější u scén s vysokým kontrastem
SférickéRozostření okrajůZvláště patrné na okraji obrazu

Galileův dalekohled In Historický kontext a evoluce

  • Galileiho astronomické úspěchy: Galileo použil tento design dalekohledu k bezprecedentním astronomickým objevům, včetně pozorování měsíčních kráterů a Jupiterových měsíců, což způsobilo revoluci v našem chápání nebes.
  • Dopad na moderní optické přístroje: Galileův dalekohled položil základy pro vývoj kompaktních, nízkoenergetických optických zařízení, která ovlivnila design předmětů, jako jsou operní brýle a dalekohledy.

Vylepšení designu galileovského dalekohledu

Galileův dalekohled měl několik nevýhod. Poskytoval omezené zvětšení, měl úzké zorné pole, vytvářel rozmazané a zkreslené obrazy. Johannes Kepler se tedy rozhodl vymyslet způsoby, jak vylepšit již existující teleskopický design, a v roce 1610 navrhl myšlenku Keplerianova dalekohledu. Keplerianský dalekohled byl relativně nový typ dalekohledu, který měl jako okulár sbíhající se čočku. Tento design vytvořil vyšší stupeň zvětšení s poměrně menším zkreslením než galileovský dalekohled. Tento dalekohled vytvářel obrazy vzhůru nohama, ale to v astronomii není problém. V současné době lze design galileovského dalekohledu vidět pouze v levných dalekohledech s nízkým výkonem.

Objevy provedené Galileanským dalekohledem

Jupiterovy čtyři měsíce

Jupiter a galilejské satelity
Jupiterovy měsíce shora dolů: IoEvropaGanymedeCallisto.
zdroj: NASA / JPL / DLR, Jupiter a galilejské satelity, označeno jako public domain, více podrobností o Wikimedia Commons

Jedním z nejdůležitějších objevů v oblasti astronomie byly čtyři měsíce Jupitera (Io, Europa, Ganymede a Callisto). Galileo s pomocí dalekohledu objevil čtyři nejjasnější měsíce Jupitera (nyní nazývané Galileovy měsíce). Tyto měsíce byly prvními objekty, o nichž bylo známo, že obíhají kolem jiné planety než Země.

Měsíční vzhled

Kráter Tycho na Měsíci upraven
anonymní, Kráter Tycho na Měsíci, označeno jako public domain, více podrobností o Wikimedia Commons

Galileo pozoroval, jak Měsíc svítí a jak se mění s časem. Po svých pozorováních usoudil, že ke změnám dochází kvůli stínům lunárních hor a kráterům Měsíce.

Mraky Mléčné dráhy

Galileo zjistil, že Mléčnou dráhu tvoří obrovské množství hvězd. Většina z těchto hvězd byla příliš slabá, než aby byla viditelná diskrétně pouhým okem. Tyto hvězdy spojené dohromady vypadaly, že jsou podobné mraku při pohledu ze Země. 

Fáze Venuše 

1280px Fáze Venuše.svg
Fáze Venuše při pohledu ze Země pozorované Galileem. Když Venuše leží mezi Sluncem a Zemí, je ze Země stěží viditelná. Když obíhá kolem Slunce a dosáhne polohy, kde leží Slunce mezi Venuší a Zemí, zdá se, že planeta je osvětlena.
zdroj obrázku: Nichalp 09:56, 11. června 2006 (UTC), Fáze Venuše, označeno jako public domain, více podrobností o Wikimedia Commons

Galileo objevil, že Venuše také při pohledu ze Země vykazuje podobnou sadu fází jako Měsíc. Ale na rozdíl od Měsíce lze fáze Venuše pozorovat pouze pomocí dalekohledu, protože se od Země jeví menší. Galileo se stal prvním člověkem, který tyto fáze sledoval.

Galileův čas věřil, že Země leží ve středu a kolem ní obíhají všechny ostatní planety, Měsíc a Slunce. Když Galileo objevil fáze Venuše, věděl, že to lze vysvětlit, pouze pokud Slunce obíhá kolem všech planet, včetně Země a Venuše. To vyvolalo polemiku. Galileo prohlásil geocentrickou teorii za nesprávnou na základě svých zjištění a prosazoval heliocentrickou teorii.

Heliocentrické teorie nebyly katolickou církví přijaty a zakázaly Galileovi studovat nebo bránit heliocentrismus. Když to Galileo odmítl, byl odsouzen do vězení až do své smrti v roce 1642.

Chcete-li se dozvědět více o dalekohledech, navštivte https://lambdageeks.com/reflecting-telescope/

Také čtení: