физика леч / методичка / цикл 3 / микроскоп1
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ОБЪЕКТИВА МИКРОСКОПА И ПОЛЕЗНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ МИКРОСКОПА»
ЦЕЛЬ. Изучить теоретически некоторые приемы микроскопии, научиться работать с микроскопом и определять числовую апертуру объектива микроскопа и полезного увеличения микроскопа.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Микроскоп, пластинка с отверстием, линейка с указателями, калькулятор, таблица тригонометрических функций.
ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ
1.Определение линзы, виды линз.
2.Основные характеристики линз.
3.Построение изображения в линзах.
4.Устройство микроскопа.
5.Разрешающая способность и предел разрешения оптической системы.
6.Способы увеличения разрешающей способности оптической системы (объектива, глаза).
7.Некоторые приемы микроскопии (микропроекция, микрофотография, иммерсионная микроскопия, поляризационная микроскопия, определение размеров микроскопируемого объекта, счет форменных элементов крови, и т.д.).
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.
Тонкой называется линза, толщина которой значительно меньше радиусов ограничивающих еѐ сферических поверхностей.
Линзы бывают вогнутые, выпуклые, плоско-вогнутые, плосковыпуклые, выпукло-вогнутые.
Прямая, проходящая через центры О1 и О2 сферических поверхностей линзы, называются главной оптической осью линзы.
Точка О пересечения главной оптической оси с тонкой линзой называется оптическим центром линзы.
Точка F, через которую проходят параллельные лучи после преломления их линзой (или их продолжения), называется фокусом линзы. Точка F – главный фокус линзы.
Рис.1.
Плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси, называется фокальной плоскостью.
Любая точка множества точек фокальной плоскости может быть побочным фокусом линзы. Через эту точку будут проходить лучи, падающие на линзу параллельно побочной оптической оси собирающей линзы. Любая прямая, проходящая через оптический центр линзы и не совпадающая с главной оптической осью, называется побочной оптической осью.
Для построения изображения в тонких линзах используются лучи, ход которых известен после прохождения через линзу.
1.Луч, падающий параллельно главной оптической оси, после преломления на линзе пройдет через еѐ главный фокус.
2.Луч, идущий через оптический центр линзы, не преломляется линзой.
3.Луч, проходящий через главный фокус на линзу, после преломления на линзе пойдет параллельно главной оптической оси линзы.
Рис.2.
Для построения изображения (А ) точки А необходимо и достаточно взять два луча. Расстояние от собирающей линзы до изображения связано с расстоянием d от предмета до линзы и фокусным расстоянием F линзы формулой:
1 |
|
1 |
|
1 |
(1) |
|
F |
f |
d |
||||
|
|
|
Это уравнение называется формулой тонкой линзы.
Для рассеивающей линзы значение фокусного расстояния в расчетах нужно брать со знаком «минус».
Величина, обратная фокусному расстоянию F, называется оптической
силой линзы D: |
D= |
1 |
|
F |
|||
|
|
Оптическая сила выражается в диоптриях (дптр). Линза с фокусным расстоянием 1 м обладает оптической силой 1 дптр.
Оптическая сила собирающей линзы положительна, рассеивающей – отрицательна.
Отношение линейных размеров Н изображения к линейным размерам h предмета называется линейным увеличением Г оптической системы.
Г Hh df
Для получения больших увеличений применяются микроскопы. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получается с
помощью оптической системы, состоящей из объектива и окуляра. Увеличение К, полученное с помощью микроскопа, равно
произведению увеличения объектива Kоб на увеличение окуляра Кок
K = Kоб Ч Кок
Наименьшее расстояние между двумя точками препарата, при котором они еще видны раздельно, не сливающимися друг с другом, называется пределом разрешения оптической системы.
Предел разрешения глаза на расстоянии наилучшего зрения не менее 0,1 мм. Принято считать предел разрешения глаза 0,2 мм = 200 мкм. Предел разрешения оптической системы объектива микроскопа определяется выражением:
Z , 2n Ч sin
где - длина волны света, освещающего препарат;
n - показатель преломления среды между препаратом и объективом микроскопа;
- апертурный угол объектива микроскопа - угол, образованный оптической осью объектива и лучом, проведенным из рассматриваемого препарата к краю объектива. Данное выражение для наименьшего расстояния справедливо при освещении препарата сходящимся пучком света. При освещении препарата пучком параллельных лучей величина Z оказывается вдвое больше:
Z
n Ч sin
Величина А = n Ч sin называется числовой апертурой объектива. Знание величины числовой апертуры объектива n Ч sin полезно при изучении биологических объектов (например, микробов), когда нужно правильно подобрать объектив, позволяющий различать объекты желаемого размера. Для работы с микроскопом существенное значение имеет понятие полезного увеличения. Оно связано как с величиной разрешаемого расстояния микроскопа, так и с разрешающей способностью глаза, которая также ограничена. Полезным увеличением микроскопа называется такое его значение, при котором глаз в состоянии различать детали, величина которых равна пределу разрешения объектива микроскопа. Если объектив «разрешает» детали, имеющие размеры Z мм, то полезным увеличением будет такое, при котором изображение этих деталей в микроскопе будет увеличено оптической системой микроскопа до размеров, соответствующих пределу разрешения невооруженного глаза. В таком случае полезное увеличение микроскопа можно оценить из соотношения:
K |
0.2 мм |
|
200 мкм |
|
Z мм |
Z мкм |
|||
|
|
Зная, что K = Kоб Ч Кок, можно рассчитать оптимальное увеличение окуляра. Кроме понятия предела разрешения используется понятие разрешающей способности оптической системы - это способность оптической системы давать четкое изображение мелких деталей препарата без искажений. Чем выше разрешающая способность оптической системы, тем меньше предел разрешения.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Что называется линзой? Назовите их виды.
2.Дайте определения: оптического центра, фокуса, главной и побочной осей, фокальной плоскости.
3.Назовите лучи, с помощью которых строится изображение в линзах.
4.Постройте изображение предмета в собирающей линзе, если предмет находится между F и 2F, между F и оптическим центром. То же для рассеивающей линзы.
5.Что называется линейным увеличением линзы? Угловым увеличением? Запишите формулы.
6.Из каких приборов состоит оптическая система микроскопа?
7.Чему равно увеличение микроскопа? Запишите формулу увеличения микроскопа.
8.Что называется пределом разрешения, разрешающей способностью оптической системы? В каком соотношении они находятся?
9.Дайте определение апертурного угла, апертуры.
10.От чего и как зависит предел разрешения? Запишите формулу.
11.Какой объектив называется иммерсионным? Что дает использование иммерсионного микроскопа?
12.Укажите способы увеличения разрешающей способности микроскопа.
ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Последовательность |
Способ выполнения задания |
действий |
|
1. Знакомство с устройством |
Рассмотрите основные части микроскопа. |
микроскопа. |
|
2. Определение числовой |
1. На предметный столик микроскопа поместите |
апертуры объектива |
пластинку с маленьким отверстием Р в ней, диаметром 0,5 |
микроскопа. |
мм. Действуя установочными винтами грубой и тонкой |
Рис. 3. |
наводки и регулировочными винтами столика микроскопа, |
|
добейтесь того, чтобы изображение этого отверстия |
Р’ |
находилось в центре поля зрения микроскопа и было |
|
отчетливо видно. |
|
2. Положите на основание штатива микроскопа |
|
миллиметровую шкалу с четкими делениями, достаточно |
|
хорошо освещенную естественным или искусственным |
|
светом. Шкала должна иметь два указателя M и N (рис. 3). |
|
3. Установив шкалу и сблизив указатели M и N около ее |
|
середины, нужно осторожно вынуть окуляр из тубуса |
|
микроскопа (не нарушая фокусировки объектива). Смотря в |
|
тубус невооруженным глазом, можно увидеть изображение |
|
шкалы с делениями, где-то около заднего фокуса объектива |
|
(рис. 3). На фоне изображения шкалы можно увидеть и |
|
изображение M и N - двух ее указателей. |
|
4. Поставить указатели так, чтобы их острия касались |
|
границы поля зрения. При этом, устанавливая правый |
|
указатель N, следует сместить глаз несколько вправо, а |
|
устанавливая левый указатель M - сместить глаз несколько |
|
влево от оптической оси микроскопа. Это необходимо, т.к. |
|
малое отверстие пластинки, лежащей на предметном |
|
столике, частично диафрагмирует края поля зрения. |
|
|
5. Установив острия указателей на границах поля зрения, |
|||||||||
|
|
отсчитайте и запишите расстояние между остриями в мм. |
|
||||||||
|
|
6. Измерьте |
расстояние R PL от |
пластинки |
с |
||||||
|
|
отверстием, лежащей на предметном столике микроскопа, |
|||||||||
|
|
до шкалы, находящейся на основании штатива. |
|
|
|||||||
|
|
7. Вычислите тангенс апертурного угла по формуле: |
|
|
|||||||
|
|
|
|
tg D / R |
|
|
|
|
|
||
|
|
(см. рис. 3), где D - половина расстояния между |
|||||||||
|
|
указателями, PL R – расстояние |
от |
пластины |
|
на |
|||||
|
|
предметном столике до шкалы. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
8. Пользуясь калькулятором, найдите величину |
|||||||||
|
|
апертурного угла. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Определение числовой |
Воспользуйтесь формулой: |
|
|
|
|
|
|||||
|
апертуры. |
|
|
A n Ч sin |
|
|
|
|
|
||
|
|
Все результаты измерений занесите в таблицу. |
|
|
|||||||
|
|
Расстоя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ние |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
между |
D, мм |
R, мм |
tg |
|
|
sin |
|
A |
|
|
|
указател |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ями, мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Определение предела |
Воспользуйтесь формулой: |
|
|
|
|
|
|||||
|
разрешения микроскопа. |
|
|
Z / n Ч sin , |
|
|
|
|
|
||
|
|
где n = 1 – показатель преломления среды между |
|||||||||
|
|
объективом и предметом; = 600 нм – среднее значение |
|||||||||
|
|
длины волны света, освещающего предмет. |
|
|
|
|
|||||
5. |
Определение полезного |
Воспользуйтесь формулой: |
|
|
|
|
|
||||
|
увеличения микроскопа. |
K 0,2 мм / Zмм |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|||||||||
6. |
Определение увеличения |
Для определения полезного увеличения окуляра |
|||||||||
|
окуляра. |
используйте соотношение: |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Kок об Коб- посмотреть на объективе |
|
|
||||||
7. Сделайте выводы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|