Закон заломлення:

а) промінь, що падає, заломлений промінь і перпендикуляр до межі,

проведений через точку падіння, лежать в одній площині;

б) відношення синуса кута падіння до синуса заломлення є величина стала для

даних двох середовищ і називається відносним показником заломлення

другого середовища відносно першорго:

Якщо перше середовище – вакуум, то відношення (1) називається абсолютним показником заломлення і є табличним даним.

ρ n_пов. ; n_води ; ; n_скла

Відносний показник зв’язаний з абсолютними:

Середовище з більшим абсолютним показником називається оптично більш густе, з меньшим – оптично меньш густе.

Хід променя:

а) промінь переходить з оптично меньш в більш густе середовище:

відхилення ближче до перпнедикуляру.

n=1,3

n = 1,6

б) з більшого в менш густе : відхилення далі від перпендикуляру.

n =1.6

n=1.3

Повне внутрішнє відбивання.

Якщо промінь переходить з оптично більш – в меншь густе середовище, то при деякому куті падіння він не перейде в друге середовище, а відіб’ється від межі найменший кут при цьому називається граничним кутом повного відбивання

Формула для знаходження α₀: sinα₀ =

Явище повного відбивання застосовується в світловодах (волоконна оптика).

Світловод складається з кількох десятків світловолокон; будова світловолокна:

оболонка nоб < nнитки

кварцова нитка

Промінь проходить по нитці за рахунок повного відбивання .

Світловоди застосовуються в ендоскопах – приладах для розглядання внутрішніх порожних. По одній частині волокон світло потрапляє до порожнини і освітлює її, по іншій - відбите світло повертається в окуляр. В ендоскопах може бути канал для гнучких інструментів.

Лінзи.

Означення: лінза – це прозоре тіло, обмежене двома опуклими чи вогнутими поверхнями (одна може бути плоскою).

Головна оптична вісь – пряма, що проходить через центри сферичних поверхонь.

І класифікація: лінзи діляться на

а) опуклі (посередині товщі):

двоколоопукла плоскоопукла вогнутоопукла

б) вогнуті (посередині тонші):

двояковогнута плосковогнута опукловогнута

ІІ класифікація: лінзи діляться на збиральні – відхилюють промені до г.о.в., та вогнуті – відхиляють промені далі від г.о.в.

Всі опуклі лінзи в повітрі – збиральні, а вогнуті – розсіювальні.

Означення: головним фокусом називається точка на г.о.в. , в якій збираються промені (у збир. л.) , або їх поздовження (у розс. л.) після їх проходження через лінзу, якщо ці промені падають на лінзу паралельно г.о.в.

Фокусна відстань – відстань між фокусом і оптичним центром (о.центр – точка всередині лінзи, через яку промені ідуть, не заломлюючись), позначається F,

F > 0 – у збиральній лінзі, F < 0 – у розсіювальній лінзі

Означення: оптична сила лінзи – це величина, зворотня фокусній відстані:

Д = [дптр] Д > 0 – у збиральної, Д < 0 - у розсіювальної лінзи.

Побудова зображення:

Зображення уявне, збільшене,пряме. Зображення дійсне, збільшене, зворотнє.

Лупа (F ≤ 10 см)

Зображення уявне, зменшене, пряме.

Обмеження мікроскопії – через дифракцію (огинання світлом перепон)

Поляризація.

Означення: виділення з природного світла, в якому коливання відбуваються в усіх напрямах, коливань, що відбуваються в одній площині, називається поляризацією, а світло таке – поляризованим.

Оптично – активні речовини повертають площину поляризації на певний кут.

Поляриметри – прилади, які застосовують поляризацію для вимірювання концентрації оптично – активних речовин.

Око як оптична система.

Має не зовсім правильну сферичну форму. Має 3 оболонки:

• звнішня – склера, попереду переходить в роговицю,

• середня -судинна, попереду переходить в райдужку з зіницею d = 2 – 8мм,

• внутрішня – сітківка або ретина.

Зоровий аналізатор або око включає в себе світлозаломлюючий і світлосприймаючий апарати .

Світлозаломлюючий апарат ока складаеться з 4 лінз: роговиця, передня камера з вологою, кришталик, скловидне тіло. Вцілому око працює як збиральна лінза з n 1,41, зображення дійсне, зменшене, обернене.

(кут 5°) Зорова вісь ока проходить через вершину роговиці і жовту пляму. Оптична вісь – через вершину роговиці та оптичний центр ока, що знаходиться в середині кришталика на відстані 7,2 мм від вершини роговиці. Кут між вісями 5°.

Означення: Акомодація – пристосування ока до рзглядання предметів на різній відстані, здійснюється за допомогою кришталика (при розгляданні близьких предметів м’язи вікового пояса, що охоплює кришталик, напружуються, кришталик стає кулястим, для віддалених предметів м’язи розслабляються, товща кришталика зменшується).

Відстань найкращого зору – 25см. Передній фокус - на відстані трохи < 1см

від вершини роговиці, задній – на сітківці (при росслабленні кришт.)

Гострота зору

вважається нормальною, якщо людина розрізняє крайні точки, що знаходяться

під кутом одна хвилина:

V=1,0 (VISUS- зір)

Якщо людина розрізнює точки під наіменшим кутом 5, то V= = 0,2

Таблиця Сивцева (5м до таблиці):

1 рядок - V = 0,1

2 рядок - V = 0,2

3 рядок -

................

10 рядок - 1,0

Недоліки оптичної системи ока.

1. Астигматизм – порушення зображення через різну кривизну кришталика,

виправляється циліндричними лінзами.

2. Близорукість –зображення віддалених предметів утворюється перед

сітківкою – розсіювальні лінзи.

3. Далекозорість –зображення близьких предметів утворюється за сітківкою

   • збиральна лінза.

Світлочутливість ока.

Сітківка має палички і ковбочки.

Ковбочки розрізняють колір, але менш чутливі, працюють вдень, палички- в сутінках.

Шари сітківки:

Шар волокон зорового нерва

опорні утворення біополярні нейрони

ОООООО

Фоторецеп

тори

Світло

Світло проходить через роговицю, кришталик, скловидне тіло, шари нервових тканин, синаптичний контакт, внутрішній сегмент і попадає на світочутливі зорові диски.

Схема палички.

- - -

внутрішній сегмен наружний сегмент

- - - - -

+ + + + +

Синаптичний ядро мітохондрії зорові диски

контакт

внутрішній сегмент наружний сегмент

Поглинається 10% світла зоровими дисками. Зоровий диск: розплющена кулька з

подвійного ліпідного шару, в які встроєні молекули білка родопсину (у ковбочках

- йодопсину).

Родопсин складається з білкової частини – опсина і небілкова – ретиналя. В стані спокою мембрана наружного сегмента паличок добре пропускає

іони натрію і погано – калію, тому на поверхні – мінус. Після поглинання кванта світла родопсин розпадається на опсин і ретиналь і проникненість мембрани для натрію зменшується. (1 квант блокує 100 – 300 натрієвих каналів). Починають працювати калієві канали, мембрана перезаряджається. Механізм передачі інформації про фотоліз родопсина натрієвим каналам точно невідомий.

• Зоровий пігмент ковбочок називається йодопсин. Існує 3 види йодопсинів:

• що мають максимум поглинання 445нм (синій), 535 (зелений) 570нм (оранжевий)

Кожна колбочка має тільки один вид пігмента.

Колбочки розміщені поблизу жовтих плям, а палички – на периферії.

В темноті відбувається відновлення родопсину – під час мигання.

Практична робота №6.

Тема: «Дослідження об’єктів за допомогою мікроскопа».

Мета роботи: дослідити дані об’єкти за допомогою мікроскопа; визначити збільшення мікроскопа та розмірів малих об’єктів тощо; дотримання правил техніки безпеки, охорони праці в галузі, професійної безпеки в практичній діяльності.

Обладнання: оптичні лабораторні мікроскопи, об’єкти для дослідження, відеофільми.

Теоретичні відомості.

Мікроскоп

Найважливішим оптичним приладом, за допомогою якого було відкрито існування невідомого людям світу мікроорганізмів і на основі цього здійснено ефективні способи боротьби зі страшними інфекційними хворобами — чумою, холерою, тифом, малярією, — є мікроскоп. Мікроскоп і понині є одним із настільних інструментів біолога, фізіолога, гістолога, які вивчають будову тканин і фізіологічні процеси на клітинному й субклітинному рівнях. Розглянемо будову й принцип дії біологічного мікроскопа.

Мікроскоп складається з механічної, оптичної й освітлювальної частин. На масивній основі — башмаку 1 (мал. 1) шарнірно закріплений фігурний штатив 2, на якому змонтовані макрометричний 3 і мікрометричний 4 гвинти. До нижньої частини штатива прикріплений предметний столик 5, на якому розміщують досліджуваний об'єкт. Це механічна частина мікроскопа.

Мал. 1

З а допомогою макро- й мікрометричних гвинтів тубус 6 плавно переміщують відносно предметного столика і таким способом одержують чітке зображення спостережуваного об'єкта. У деяких типах біологічних мікроскопів оптична частина нерухома, а переміщується предметний столик відносно тубуса.

Оптична частина мікроскопа складається з тубуса 6— металевої трубки, в якій розміщуєть­ся окуляр 7 і об'єктив 8. Біологічний мікроскоп звичайно має декілька об'єктивів, які знаходяться на спільній поворотній основі — турелі 9. Під предметним столиком розташований конденсор 10 і на спеціальному кронштейні — освітлювальне дзеркальце 11, які складають освітлювальну частину мікроскопа. Освітлювальна частина мікроскопа в створенні зображення спостережуваного об'єкта участі не бере. її призначення — спрямовувати пучки променів, що падають на дзеркальце від джерела світла, на досліджуваний препарат.

Основою оптичної схеми мікроскопа є об'єктив (повернутий до об'єкта) і окуляр (повернутий до ока). Окуляр мікроскопа — це лупа, яка складається з двох лінз, змонтованих у спільній оправі. Об'єктиви мікроскопа мають по 4 — 6 лінз. Окуляр і об'єктив мікроскопа утворюють центровану оптичну систему, в якій майже нанівець зведені аберації лінз. Оскільки центрована оптична система створює зображення як і одна збиральна лінза, то це дає змогу істотно спростити оптичну схему мікроскопа, розглядаючи об'єктив і окуляр як дві збиральні лінзи, що мають спільну оптичну вісь (мал.2).

Досліджуваний об'єкт (препарат) АВ кладуть на предметний столик між фокусом і подвійним фокусом об'єктива. У цьому разі об'єктив створює дійсне, обернене й збільшене зображення А₁,В₁ об'єкта. Проміжне зображення A₁B₁ одержане за допомогою об'єктива, далі розглядається через окуляр, і тому для окуляра воно виконує роль спостережуваного об'єкта. Довжину тубуса розраховують так, щоб проміжне зображення об'єкта розміщувалося між оптичним центром і фокусом окуляра. Тому окуляр створює уявне, пряме й збільшене зображення об'єкта А₂В₂. Розбіжні пучки променів, що виходять з окуляра, збираються оптичною системою ока, де й формується дійсне зображення А₃В₃ спостережуваного об'єкта.

мал.2

Розрахуємо лінійне збільшення мікроскопа. Згідно з формулою (5), лінійне збільшення мікроскопа становить:

Помножимо й розділимо праву частину цього виразу на розмір проміжного зображення А₁В₁, яке створюється об'єктивом:

Очевидно, що — це збільшення об'єктива, а — це збільшення окуляра. Отже, збільшення мікроскопа таке:

k = k₁k₂ (2)

Збільшення мікроскопа дорівнює добутку лінійного збільшення об'єктива й окуляра. Лінійні збільшення об'єктива й окуляра вказуються на їхній оправі.

Через те що об'єктив створює зображення як тонка лінза, то збільшення об'єктива можна обчислити за формулою лінійного збільшення тонкої лінзи: . Оскільки предмет знаходиться поблизу фокуса об'єктива, то а ≈ f₁ , а відстань b приблизно дорівнює довжині тубуса d: b ≈ d, тому k₁ = . У свою чергу, окуляр створює зображення об'єкта як лупа, тоді лінійне збільшення окуляра можна визначити за формулою (1): k₂ = , де f₂ — фокусна відстань окуляра. Таким чином, формулу (2) можна записати так:

У медицині й біології мікроскоп застосовують не лише для одержання збільшеного зображення дуже малих об'єктів. За допомогою мікроскопа визначають і їхні розміри, здійснюють підрахунок формених елементів крові, спостерігають капіляри в шкірі живої людини (капіляроскопія) та одержують мікрофотографії досліджуваних об'єктів.

Щоб одержати фотографію досліджуваного об'єкта, зображення, створюване мікроскопом, потрібно зробити дійсним. Для цього окуляр мікроскопа трохи зміщують у тубусі так, щоб проміжне зображення A₁B₁ створюване об'єктивом, опинилося між фокусом і подвійним фокусом окуляра. У цьому разі окуляр буде створювати дійсне збільшене й пряме (по відношенню до предмета АВ) зображення А₂В₂, яке буде знаходитись у деякій площині 77. Помістивши в цю площину екран або фотоплівку, можна спостерігати дійсне й збільшене зображення досліджуваного об'єкта (мікропроекція) або одержати його мікрофотографію. Для цього ви­користовується спеціальний фотоапарат, який насаджується на окулярний кінець тубуса мікроскопа. Саме таким способом одержані мікрофотографії клітин, гістологічних препаратів та різних мікроорганізмів, які ви розглядаєте, вивчаючи курси біології, гістології та мікробіології.

Максимальне збільшення оптичного мікроскопа може досягати 3000. Проте хоча таке збільшення й можливе, але воно некорисне й навіть шкідливе. Справа в тому, що такі великі збільшення потрібні при спостереженні дуже малих об'єктів, розміри яких уже сумірні з довжиною світлової хвилі. Але при цьому виникає явище дифракції світла: світлові промені огинають спостережуваний об'єкт і створюють складну дифракційну картину, яка нерідко є причиною всіляких помилкових висновків при вивченні ще невідомих науці явищ та об'єктів. І тому явище дифракції обмежує корисне збільшення мікроскопа. Унаслідок дифракції світла об'єкти, розміри яких менші ніж 200 нм (віруси, що фільтруються, складні білкові молекули), в оптичний мікроскоп побачити неможливо.

І мікроскоп, і лупа не збільшують розмірів спостережуваного об'єкта. Вони дають можливість бачити об'єкт під значно більшим кутом зору й завдяки цьому розрізняти дві близькі точки об'єкта роздільно. Здатність оптичної системи давати зображення двох близько розташованих точок предмета роздільно називається роздільною здатністю оптичної системи. Найменша відстань між двома сусідніми точками предмета, на якій ці точки сприймаються роздільно, називають межею розділення оптичної системи. Чим менша межа розділення, тим вища роздільна здатність оптичного приладу. Якщо дві точки предмета перебувають на відстані, яка менша від межі розділення, то яким би великим не було збільшення оптичного приладу, їх зображення завжди зливаються між со­бою в одну точку.

Мал.3

У звичайних умовах об'єктив пе­ребуває в повітрі, показник заломлення якого п = 1. На межі скло — повітря (препарат накривають скляною пластинкою) частина променів зазнає повного відбивання й повертається

назад у скло (мал. 3, а), крім того, світлові промені частково відбиваються від передньої поверхні об'єктива. Усе це зменшує яскравість зображення й погіршує роздільну здатність мікроскопа.

Щоб збільшити яскравість зображення, на покривне скло наносять шар рідини — імерсії (кедрової олії, гліцерину, монобромнафталіну), показник заломлення якої близький до показника заломлення скла. У цьому разі світло поширюється в оптично однорідному середовищі і, не відбиваючись, повністю входить в об'єктив (мал. 3 б). Це значно підвищує яскравість зображення й поліпшує роздільну здатність мікроскопа.

Роздільну здатність мікроскопа можна також підвищити, освітлюючи досліджуваний об'єкт світлом з меншою довжиною хвилі. З цією метою препарат опромінюють ультрафіолетовими променями. Оскільки ультрафіолетові промені звичайне скло не пропускає й око їх безпосередньо не сприймає, то оптику для ультрафіолетового мікроскопа виготовляють з кварцового скла, а зображення спостерігають на люмінесцентному екрані або за допомогою електронно-оптичного перетворювача.

Практичні завдання.

Завдання 1: підготувати мікроскоп до роботи.

Якщо використовувати природне освітлення, мікроскоп необхідно розташувати таким чином, щоб дзеркало 5 було обернене до вікна і відбивало світло від яскравої ділянки неба. Спостерігаючи в окуляр, домогтися рівномірного освітлення поля зору за допомогою конденсатора та дзеркала. При використанні штучного освітлення на дзеркало спрямовують світло від лампи.

Завдання 2: визначити ціну поділки S окулярної шкали.

Для цього на предметному столику розташовують об’єкт – мікрометр, ціна поділки якого дорівнює 0,01 мм. Підсвічуючи об’єкт - мікрометр зверху (відбитим світлом), обертання клемал’єр 4 грубої та тонкої наводки на різкість домогтися, чіткого зображення поверхні об’єкт – мікрометра в полі зору мікроскопа (біла шкала), розташувати її вздовж шкали окуляра (темна шкала)таким чином, щоб риски обох шкал були паралельними.

Далі необхідно знайти такі дві риски шкали окуляра, які співпадають з двома будь –якими рисками шкали об’єкт мікрометра. Довжина відрізка між співпадаючими рисками об’єкт - мікрометра дорівнює 0,01*n(мм), де n-число поділок об’єкт – мікрометра між співпадаючими рисками. Ціну поділки S шкали окуляра можна визначити, якщо поділити довжину відрізка шкали об’єкт – мікрометра на число поділок m шкали окуляра, в котрі укладається цей відрізок в полі зору мікроскопа, тобто:

S = 0,01 · (мм)

Наприклад, на малюнку з лівого боку співпали 6-а поділка об’єктивної (нижньої)

шкали та 5-а поділка окулярної (верхньої) шкали, тоді як з правого боку співпадають 22-а поділка об’єктивної шкали та 13-а поділка окулярної шкали. Таким чином, в m = 8 поділках окулярної шкали вмістилося n = 16 поділок об’єктивної шкали. Тоді ціна однієї поділки окулярної шкали при даному збільшенні мікроскопа є такою: S = 0,01∙ 16/8 = 0,02 (мм). об’єктивної шкали.

Після визначення ціни поділки окулярної шкали можна приступити до вимірювання лінійних розмірів будь – якого предмета.

Завдання 3: виміряти геометричні розміри мікрооб’єктів.

Якщо предмет розташований на предметному столику і його можна спостерігати в світлі, що проходить крізь нього, необхідно налаштувати мікроскоп для роботи. Для цього світло від освітлювача потрібно направити на освітлювальне дзеркало 5 мікроскопа і обертанням дзеркала домогтися рівномірного освітлення поля зору мікроскопа. Далі на предметному столику мікроскопа розмістити предметне скло з вимірювальним об’єктом, домогтися його читкого зображення і приступити до вимірювання лінійних розмірів об’єкта.

Завдання 4: виміряти товщину волосини.

Повернути зображення поперек шкали окуляра і відлічити кількість поділок шкали окуляра, що укладаються в зображення об’єкта. Помноживши кілка поділок на ціну поділки, одержати величину діаметра волосини.