Всі лабораторні роботи / MIKR_W

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА mikr_w. doc

Изучение работы микроскопа и измерение микрообъектов

Цель работы. Изучить физические основы микроскопии, приобрести навыки работы с микроскопом, научиться измерять геометрических размеры микрообъектов.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе.

1. Формула линзы. Увеличение линзы. Аберрации линз - сферическая, хроматическая и астигматизм.

2. Центрированная оптическая система (ЦОС).

3. Оптическая система и устройство биологического микроскопа. Ход лучей в микроскопе.

4. Предел разрешения, разрешающая способность, полное и полезное увеличение микроскопа.

5. Некоторые специальные приемы микроскопии: иммерсионная, метод темного поля, метод фазового контраста, микрофотография.

Литература для подготовки к лабораторной работе

1. Н.М. Ливенцев. Курс физики, 1974, стр. 414-454.

2. Н.М. Ливенцев. Курс физики, 1978, ч.1, стр. 249-279.

3. А.Н. Ремизов. Курс физики, 1976, ч.2, стр. 161-186.

4. А.Н. Ремизов. Курс физики, электроники, кибернетики для медицинских институтов, 1982, стр. 323-346.

5. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика, 1987,стр. 449-474.

Краткие теоретические сведения

Микроскоп (от греч. mikros - мелкий и skopio - смотрю) - оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов или деталей их структуры. Разные типы микроскопов используют для определения и исследования бактерий, органических клеток, мелких кристаллов и др. объектов, размеры которых меньше минимальной разрешающей способности глаза (минимальная разрешающая способность глаза Z_гл= 0.075-0.1 мм). При помощи микроскопа определяется форма, размеры и другие характеристики микрообъектов.

Рис. 1 Общий вид лабораторного микроскопа

В биологическом микроскопе, общий вид которого представлен на рис. 1, различают три основные части: механическую, осветительную и оптическую. К механической части относится штатив, состоящий из основания, и тубусодержателя. Рассматриваемый объект раз-мещается на предметном столике (5). Предметный столик имеет отверстие для прохода лучей, освещаемых предмет. Тубус (2) микроскопа расположен над отверстием предметного столика. Нормальная длина тубуса - порядка 160 мм, в нем монтируется основная оптическая часть микроскопа. В нижней части тубуса находится револьвер (3), вращением которого можно вводить в оптическую систему различные объективы (4). В верхней части тубуса находится окуляр (1). Обычные объективы микроскопов имеют увеличение от 6 до 100, а окуляры - от 7 до 15.

Следовательно, общее увеличение для такого микроскопа лежит в пределах от 42 до 1500. Макрометрический (кремальера 7) и микрометрический винты (8) предназначены для перемещения тубуса микроскопа, при их помощи осуществляется наводка на фокус.

Осветительная часть микроскопа состоит из зеркала (9) и кон-денсора (6), который предназначен для концентрации световых лучей. Предмет может освещаться при помощи зеркала и конденсора как искусственным источником света, так и естественным.

Оптическая часть представляет собой центрированную оптическую систему, в которую входят линзы объектива и окуляра. Ход лучей в микроскопе представлен на рис. 2.

Рис. 2 Ход лучей в микроскопе

L- длина тубуса микроскопа, S - расстояние наилучшего зрения глаза

Характеристики микроскопа.

1. Разрешающая способность, предел разрешения. Разрешающая способность определяет возможность микроскопа давать раздельное изображение двух соседних точек. Характеристикой разрешающей способности является предел разрешения Z_мк - наименьшее расстояние между двумя точками, изображение которых различимо микроскопом. Величина предела разрешения оптического микроскопа определяется двумя явлениями: дифракцией лучей света на объекте и последующим построением изображения, образуемого дифрагмированными лучами. Согласно теории Аббе-Рождественского, для получения изображения двух отдельных светящихся точек достаточно, чтобы после дифракции лучей света на объекте в апертурный угол объектива попали лучи центрального и одного из первых максимумов. В этом случае предел разрешения будет равен Z_мк= l/(2sinq), где q - половина апертурного угла. В случае наличия иммерсионной среды предел разрешения равен Z_мк= l/(2n×sinq) или Z_мк=l/(2А) ,

где А = n×sinq - числовая апертура объектива.

2. Коэффициент полного увеличения К_пн определяет величину полученного изображения в микроскопе и равен произведению коэффициентов увеличения объектива и окуляра

К_пн = К_об×К_ок = L×S/(F_об×F_ок) .

3. Коэффициент полезного увеличения микроскопа К_пз определяется разрешающей способностью микроскопа и равен отношению пределов разрешения глаза и микроскопа

К_пз = Z_гл/Z_мк .

Порядок выполнения лабораторной работы.

Задание 1. Подготовить микроскоп к работе.

Если использовать естественное освещение, микроскоп необходимо расположить так, чтобы зеркало (9) было повернуто к окну и отражало свет от яркого участка неба. Наблюдая в окуляр, добиться равномерного освещения поля зрения при помощи конденсора и зеркала. При использовании искусственного освещения на зеркало направляется свет от лампы.

Задание 2. Определить цену деления окулярной шкалы s.

Для этого на предметный столик микроскопа положить объект-микрометр, цена деления которого 0.01 мм. Подсвечивая объект-микрометр сверху (отраженным светом), вращением кремальер грубой и тонкой наводки на резкость, добиться четкого изображения поверхности объект-микрометра в поле зрения микроскопа (белая шкала) и разместить ее вдоль шкалы окуляра (темная шкала), так чтобы риски обеих шкал были параллельны. Далее необходимо найти такие две риски шкалы окуляра, которые совмещаются с двумя какими-то рисками шкалы объект-микрометра. Длина отрезка между совпадающими рисками равна целому числу делений n шкалы объекта-микрометра 0.01´n (мм). Цену деления шкалы окуляра определить, поделив длину отрезка шкалы объект-микрометра на число делений шкалы окуляра, в которые укладывается этот отрезок в поле зрения микроскопа.

s = 0.01´n /m [мм].

Здесь n и m - соответственно число делений шкал объект-микрометра и окуляра, укладывающихся между двумя парами совме-щающихся рисок (рис.3).

Рис. 3. Определение цены деления шкалы окуляра

Например, на рис. 3 в зоне указанной прямоугольником в 6 делениях (m = 6) окулярной шкалы вместилось n = 10 делений объективной. Следовательно, цена одного деления окулярной шкалы при данном увеличении микроскопа равна

s = 0.01 ´ 10/6 » 0.017 [мм] .

После определения цены деления окулярной шкалы можно приступать к измерению линейных размеров любого предмета.

Задание 3. Измерить геометрические размеры микрообъектов.

Если микрообъект расположен на предметном столике и его можно наблюдать в проходящем свете. В этом случае свет от осветителя направляют на зеркало (9) микроскопа (рис.1) и его поворотом добиваются равномерного освещения поля зрения микроскопа. Затем при помощи макро- и микровинтов настройки добиваются четкого изображения объекта.

1. Измерение толщины волоса. Повернуть изображение поперек шкалы окуляра и отсчитать количество делений шкалы окуляра, ук-ладывающихся в изображении объекта. Умножив число делений на це-ну деления, получить величину диаметра волоса.

2. Определение постоянной дифракционной решетки. Получив четкое изображение фрагмента дифракционной решетки (в виде чере-дующихся темных и светлых полос), добиться затем совмещения ка-кой-либо полоски дифракционной решетки с любой риской шкалы оку-ляра и найти следующую полоску, совпадающую с риской шкалы. Зная цену деления шкалы окуляра, определить постоянную дифракционной

решетки .

Задание 4 . По маркировке на оправах объектива и окуляра определить предел разрешения микроскопа, полное и полезное увеличение.

На оправе окуляра и объектива выбиты значения коэффициентов их увеличения К_ок и К_об , на объективе также приведено значение числовой апертуры объектива А. Длину волны l взять равной 550 нм.

Оформление работы. В отчете должны содержаться краткие теоретические сведения (ход лучей в микроскопе, его характеристики) , результаты выполнения заданий 2, 3 и 4.

Контрольные вопросы и задачи

1. Сколько кардинальных точек и плоскостей имеется в ЦОС? Как изменится их количество для тонкой линзы?

2. Каково максимальное значение коэффициента полезного увеличения обычного оптического микроскопа?

3. Можно ли сделать коэффициент полного увеличения равным 10⁶ и более ?

4. Почему полезное увеличение микроскопа не может быть бесконечно большим?

5. Как изменится предел разрешения микроскопа, если увеличить оптическую силу объектива?

6. Какие детали препарата разрешает микроскоп, если освещать его зелеными лучами ( l=500 мкм)? Рассмотреть два случая: а)"сухой" микроскоп, б) микроскоп с масляной иммерсией (n = 1.515). Значение синуса апертурного угла принять равным 0,94.

7. Микроскоп дает 600-кратное увеличение, когда используется окуляр с фокусным расстоянием 16.7 мм. Какое увеличение даст этот микроскоп, если окуляр будет иметь оптическую силу 20 диоптрий?

8. Какие физические процессы или явления определяют минимальное значение предела разрешения микроскопа ?

9. Продолжите ход луча в ЦОС (см. рис.) .