Почему камера-обскура переворачивает изображение?
Лучи продолжают идти прямо после пересечения в отверстии. Свет от верха предмета попадает в нижнюю часть экрана, поэтому изображение получается перевёрнутым.
Проследите путь света от одной точки
Камера-обскура — тёмная коробка с маленьким отверстием с одной стороны и экраном с другой. Линза и зеркало ей не нужны. Яркий предмет испускает свет или отражает свет лампы либо неба в разных направлениях. От каждой точки через отверстие проходит только узкий пучок.
В простой лучевой модели свет идёт через воздух по прямой. Луч от верха предмета проходит через отверстие и продолжается к нижней части экрана. Свет от более низкой точки попадает выше. Отверстие не изгибает и не переворачивает лучи: в нём пересекаются их пути. На экране возникает перевёрнутое изображение.
Соберите камеру для яркого вида из окна
Нужны непрозрачная картонная коробка, алюминиевая фольга, скотч и полупрозрачная калька. Подойдёт и тонкая полупрозрачная бумага для выпечки; непрозрачная бумага закроет изображение, а прозрачная плёнка не даст подходящего рассеивающего экрана. Вырезать окна и прокалывать отверстие должен взрослый.
Выберите ярко освещённое здание или дерево за окном так, чтобы Солнце оставалось далеко в стороне от направления камеры. Не направляйте эту камеру на Солнце и не смотрите на Солнце через отверстие. Смотреть нужно на бумажный экран, а не сквозь отверстие.
- 1. Вырежьте маленькое окно в одном торце коробки. Полностью закройте его фольгой, закрепите края скотчем и сделайте крошечное отверстие кончиком булавки. Сначала не проталкивайте булавку целиком.
- 2. В противоположном торце вырежьте окно побольше. Ровно натяните на него кальку и закрепите скотчем: это экран. Закройте коробку и заклейте щели, через которые может проникать посторонний свет.
- 3. Направьте торец с фольгой на выбранный вид. Смотрите снаружи на бумажный экран с противоположной стороны. Затените экран и место, откуда смотрите, тёмной тканью или затемните комнату. Отверстие должно оставаться открытым.
- 4. Дайте глазам немного привыкнуть к темноте. Найдите различимые верх и низ: например, крышу над окном. На экране крыша должна оказаться ниже этого окна. Осторожно поверните коробку, чтобы нужный вид попал на экран.
Меняйте одно условие за раз
Сравнивая положения экрана, сохраняйте предмет и расстояние от него до отверстия. В более длинной коробке экран дальше от отверстия. Меняйте только одно условие, чтобы можно было объяснить результат.
- Экран дальше от отверстия: изображение становится крупнее и тусклее. Само по себе увеличение не добавляет деталей.
- Отверстие больше: света проходит больше, но геометрическое размытие увеличивается, потому что каждая точка предмета даёт более крупное пятно вместо маленького.
- Отверстие меньше: геометрическое размытие уменьшается, но яркость тоже падает. Бесконечно уменьшать отверстие ради идеальной резкости не получится: при очень малом отверстии изображение размывает ещё и дифракция.
Рассчитайте размер изображения заранее
Для плоского предмета, параллельного экрану, подобие треугольников даёт такой расчёт в идеальной лучевой модели. Оба расстояния отсчитывают от отверстия; единицы измерения должны совпадать:
Высота изображения = высота предмета × (расстояние от отверстия до экрана ÷ расстояние от предмета до отверстия).
Пусть предмет высотой 40 см находится в 200 см от отверстия. Если экран расположен в 10 см за отверстием, высота изображения равна 40 × 10 ÷ 200 = 2 см. Расположите экран в 20 см за отверстием — получится изображение высотой 4 см, по-прежнему перевёрнутое.
Это расчётные примеры, а не измерения собранной камеры. У настоящего отверстия есть ширина; неровный край, складки экрана и посторонний свет могут мешать точно измерить контур.
Если изображение не видно
- Только бледное свечение: сначала затените экран и заклейте щели. Проверьте, что смотрите на полупрозрачную бумагу, а отверстие находится с противоположной стороны.
- Слишком темно: выберите более яркий и контрастный вид, лучше затените экран. При необходимости попробуйте чуть увеличить отверстие на новом кусочке фольги, а затем сравните резкость.
- Светло, но всё расплывается: замените крупное или рваное отверстие более маленьким и аккуратным. Проверьте, что бумага ровная, а отверстие только одно.
- Не удаётся ничего узнать: направьте камеру на простой силуэт крыши или оконную раму. Маленькое изображение в камере размером со стакан или малоконтрастная стена комнаты могут быть плохо различимы.
Проверьте свой прогноз
Что произойдёт в примере выше, если экран останется в 10 см за отверстием, а предмет высотой 40 см приблизить с 200 до 100 см?
Изображение вырастет с 2 до 4 см и останется перевёрнутым. Расстояние в знаменателе уменьшилось вдвое. Геометрия изменилась; лучи по-прежнему идут прямо.