Микропроецирование

В процессе обучения физике микропроекция применяется при демонстрации микроскопических объектов и явлений (например, образование и рост кристаллов; броуновское движение; рассмотрение дифракционной решетки и др.). Микропроецирование осуществляется на установках, сочетающих свойства микроскопа и проекционной аппаратуры. В большинстве случаев для этой цели используется школьные биологические микроскопы с вертикальным тубусом, дающие увеличение порядка 300 раз, и осветители с мощным источником света. Основными частями микроскопа (рис. 6-7) являются: основание 1, зеркало 2, диафрагма 3, предметный столик 4, объектив 5, тубус 6, окуляр 7, механизм для перемещения тубуса (кремальера) 8, тубусодержатель 9.

В комплект микроскопа входит два сменных объектива 8^x и 20^x и три сменных окуляра 7^x, 10^x и 15^x. Объективы ввинчиваются в нижнюю часть трубуса микроскопа, а сверху вставляются сменные окуляры.

Оптическая схема микроскопа показана на рисунке 6-8. Объективы и окуляры микроскопа состоят из нескольких линз для уменьшения сферической и хромотической аббераций. В основу оптической схемы микроскопа положено такое расположение линз, при котором увеличенное объективом изображение предмета вторично увеличивается при помощи окуляра.

Для подготовки микроскопа к наблюдениям микрообъектов необходимо:

1. Добиться равномерного освещения поля зрения микроскопа. Это достигается правильным расположением источника света и вогнутого зеркала микроскопа.

Зеркало крепится на двух взаимноперпендикулярных осях, что позволяет наилучший образом направлять свет от источника освещения на наблюдаемый объект. Освещение объекта зависит также от величины диафрагмы микроскопа. Диск – диафрагма крепится к нижней части предметного столика и имеет четыре отверстия диаметром 16, 8, 4 и 2 мм и пять углублений для фиксатора, определяющего пять рабочих положений диафрагмы (при одном из них свет от зеркала не проходит).

Рис. 6-7

2. Положить объект на предметный столик и закрепить его пружинящими лапками. Наблюдая в окуляр, медленно перемещают тубус микроскопа путем вращения ручек до тех пор, пока в поле зрения появится изображение объекта. При этом целесообразно осторожно передвигать объект, так как движущийся предмет легче заметить.

Рис. 6-8

Для получения с помощью микроскопа увеличенного изображения на экране используются мощные источники света и опыт проводится в хорошо затемненной аудитории. При этом необходимо убрать окуляр микроскопа, а изображение объекта получить с помощью объектива.

Т аким образом, принципиальная оптическая схема для микропроецирования имеет вид, показанный на рисунке 6-7, где 1 - источник света, 2 - конденсор, 3 - предметный столик, 4 - объект, 5 - объектив, 6 - экран.

Рис.6-9

Теоретическую подготовку проверьте, ответив на следующие вопросы:

1. Какие виды проецирования применяются в процессе обучения физике?

2. Какие источники света используются для различных видов проецирования?

3. Из каких основных узлов состоит универсальный проекционный аппарат ФОС-115?

4. Где должна располагаться лампа в проекционном аппарате ФОС-115 и как осуществляется ее регулировка (выбор нужного положения)?

5. Каково назначение учебного лазера и с какими приборами он используется при выполнении физического эксперимента?

6. Каков принцип действия лазера ЛГН-109 и из каких основных элементов он состоит?

7. Как осуществить теневое проецирование и в каких случаях оно применяется?

8. Назовите основные части и технические параметры школьного стробоскопа.

9. При каком условии вращающееся тело, освещенное прерывистым светом, кажется неподвижным; медленно вращающимся: в направлении истинного вращения; в направлении, противоположном истинному?

10. Как определить скорость вращения или частоту колебаний тела стробоскопическим методом?

11. Изобразите принципиальную оптическую схему микропроекции.

Изучение видов проецирования и приобретение навыков в работе с аппаратурой для проецирования

Задание 1. Ознакомление с устройством проекционного аппарата ФОС-115.

Цель: Изучить устройство прибора и научиться подготавливать его к работе.

1. Установите, какие детали входят в комплект аппарата и каково их назначение.

2 . Подготовьте проекционный аппарат для вертикальной проекции объектов (рис.6-10). Произведите центрирование оптической системы, получив на экране яркий равномерно освещенный круг, лишенный цветной окраски. Это достигается перемещением лампы вверх или вниз, вращением ее вдоль своей оси, а также изменением расстояния от лампы до конденсора.

Рис. 6-10   Рис. 6-11

Вопросы:

1. Как влияет на качество изображения неправильное местоположение лампы по вертикали?

2. Как устранить красную кромку в круге, полученном на экране с помощью проекционного аппарата?

Задание 2. Применение универсального проекционного аппарата для проецирования различных объектов.

Цель: Овладеть умениями и навыками получения на экране горизонтальной и вертикальной проекций.

При использовании проекционного аппарата следует учитывать, что одни объекты могут располагаться только вертикально (например, модель насоса), другие – только горизонтально (например, модель броуновского движения). В связи с этим различают горизонтальную и вертикальную диаскопическую проекции.

1. Используя собранную установку (рис.6-10), осуществите проецирова-ние на экран диапозитивов. Чтобы изображение предмета на экране было расположено правильно, необходимо; а) стать лицом к экрану и, взяв диапозитив, правильно расположить изображенный на нем объект; б) повернуть диапозитив на 180°, заменив местами верх и низ, левую и правую стороны; в) в таком положении опустить диапозитив в кассету аппарата.

2. Используя объектив с оборотной призмой, спроецируйте на экран модель всасывающего насоса (рис. 6-11).

3. Подготовьте проекционный аппарат для демонстрации горизонтальных объектов, для этого выньте на обоймы конденсора переднюю линзу и укрепите на ее место приспособление для горизонтальной проекции. В верхнюю часть этого приспособления поместите вынутую линзу. На вертикальный стержень наденьте ширму с объективом и плоским зеркалом и укрепите систему стопорными винтами (рис. 6-12) Получите на экране четкое изображение верхней линзы конденсатора. Укрепите на стержне между объективом и конденсором прибор для демонстрации броуновского движения (рис.6-13).Получите проекцию модели броуновского движения

Рис. 6-12

Вопрос:

Каково устройство, назначение и принцип действия объектива с оборотной призмой?

Задание 3. Ознакомление с устройством учебного лазера ЛГН-109.

Цель: Изучить устройство прибора и научиться подготавливать его к работе.

Ознакомьтесь с устройством и органами управления лазером; выясните, как подготовить лазер для демонстрации его внутреннего устройства; определите, где расположен предохранитель.

Задание 4. Используя лазер в качестве источника света, получите дифракционный спектр.

Цель: Овладеть навыками работы с учебным лазером.

Поставьте лазер на горизонтальной поверхности стола. На некотором расстоянии от него (около 1м) расположите экран. Между лазером и экраном поместите дифракционную решетку и, направив на нее лазерный луч, получите на экране дифракционный спектр. Оптимальное расположение дифракционной решетки определите опытным путем.

Вопрос:

Чем отличается дифракционный спектр лазерного излучения от дифракционного спектра белого света?

Задание 5. Ознакомьтесь с устройством, техническими параметрами и правилами эксплуатации осветителя для теневого прое­цирования. Получите на экране в затемненной аудитории световой поток от осветителя с различными диафрагмами.

Задание 6. Продемонстрируйте с помощью теневой проекции действие анкерного механизма часов и получение механических автоколебаний.

Цель: Овладеть навыками теневого проецирования непрозрачных объектов.

Для опыта используйте прибор – маятник в часах. Экспериментально установите необходимые расстояния между осветителем, прибором и экраном, а также соответствующие размеры диафрагмы для получения четкого изображения механизма часов. Продемонстрируйте действие анкерного механизма при различной длине маятника.

Вопрос:

Как экспериментально показать, от чего зависит четкость и размеры изображения при теневом проецировании?

Задание 7 Продемонстрируйте с помощью теневой проекции восходящие потоки нагретого воздуха.

Цель: Овладеть навыками теневого проецирования конвекционных потоков воздуха, газов и паров.

Установите на подставке спиртовку и получите на экране ее теневую проекцию. Зажгите спиртовку. Подберите соответствующую диафрагму осветителя и, перемещая спиртовку, найдите положение, при котором восходящие потоки воздуха будут отчетливо видимы. Поместите на их пути полосу картона и покажите изменение направления восходящих потоков воздуха.

Вопрос:

Как объяснить видимость конвекционных потоков нагретого воздуха при теневом проецировании?

Задание 8. Определите скорость вращения вентилятора с помощью стробоскопического эффекта.

Цель: Овладеть навыками работы со стробоскопом и навыками стробоскопического проецирования для изучения вращательного движения тел.

Для опыта используйте электродвигатель, на оси которого укреплен вентилятор. В цепь двигателя включите реостат (1000 Ом, 0,4 А) для регулировки скорости вращения вентилятора. Установите стробоскоп на расстоянии 30-40 см от вентилятора и включите приборы (стробоскоп настройте на частоту вспышек порядка 20 Гц). Изменяя скорость вращения вентилятора (постепенно увеличивая), покажите в затемненной аудитории, что при определенной скорости вращения вентилятор кажется неподвижным. Зная частоту вспышек стробоскопа, определите скорость вращения вентилятора. Затем еще увеличьте скорость вращения вентилятора и опять добейтесь его кажущейся неподвижности. Определите скорость вращения вентилятора в этом случае.

Вопрос:

Во сколько раз отличаются скорости вращения вентилятора в первом и втором случаях?

Задание 9. Продемонстрируйте колебания ножек камертона в стробоскопической проекции.

Цель: Овладеть навыками стробоскопического проецирования для изучения колебательного движения тел.

Для опыта воспользуйтесь камертоном с собственной частотой 16 Гц. Приведите в колебательное движение ножки камертона и получите его теневую проекцию (воспользуйтесь осветителем для теневой проекции). Затем осветите камертон стробоскопическим светом и, изменяя частоту вспышек стробоскопа, покажите картину затухающих колебаний ножек камертона. Сравните наблюдаемые картины колебаний ножек камертона в этих случаях.

Вопросы

1.Чем объясняется размытость теней ножек камертона при теневой проекции?

2.Каким образом в данной демонстрации можно определить частоту колебаний ножек камертона?

Задание 10. Продемонстрируйте образование и рост кристаллов с помощью микропроекции.

Цель: Овладеть навыками микропроецирования.

Приготовьте насыщенный раствор поваренной соли или медного купороса и стеклянной палочкой перенесите каплю раствора на предметное стекло. Установите стекло на предметном столике микроскопа. В качестве осветителя воспользуйтесь проекционным аппаратом ФОС–115, собрав установку по рисунку 6-14. Сначала визуально при помощи микрос-копа обнаружьте образова-ние и рост кристаллов. Затем уберите окуляр и получите изображение кристаллов на вертикальном или горизон-тальном экране.

Рис.6-14

Вопросы:

1. Какое увеличение дает микроскоп в этом опыте?

2. Почему при микропроецировании необходимо использовать мощные источники света?

16