Контрольные вопросы

1. Как устроен сферометр и для чего он предназначен?

2. Почему измерение стрелки прогиба сначала проводится на эталонной плос-

кости?

3. Какие методы определения радиусов кривизны объектов небольших размеров

Вы знаете?

3. Вывести рабочую формулу для расчета радиуса кривизны выпуклой сфериче-

ской поверхности.

Литература

1. Афанасьев В. А. Оптические измерения. М.: Высш. шк., 1981. Гл. 2, § 11.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4-12

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПА

Цель работы: изучить устройство и принцип работы микроскопа, его параметры, экспериментально определить угловое увеличение и разрешающую способность микроскопа, а также линейные размеры малых тел с помощью микроскопа.

Приборы и принадлежности: микроскоп биологический (БИОЛАМ С-11), объекты наблюдения, объект-микрометр, окулярный микрометр, миллиметровый масштаб.

Теория работы

Микроскоп - оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений малых предметов (или деталей их структуры), невидимых невооруженным глазом. Различные типы микроскопов предназначены для обнаружения и изучения бактерий, органических клеток, мелких кристаллов, структуры объектов, размеры которых меньше разрешения глаза, равного 0,1 мм (10^-4 м). Современные оптические микроскопы позволяют различать структуры с расстоянием между элементами до 0,2 мкм (210^-7 м), т.е. дают увеличение до 2000 раз.

Оптическая система микроскопа состоит из двух линз: короткофокусного объектива Л₁ (фокусное расстояние несколько мм) и длиннофокусного окуляра Л₂ (фокусное расстояние несколько см) и представлена на рис. 1.

Рис. 1

Предмет АВ помещают между фокусным и двойным фокусным расстоянием объектива Л₁, но очень близко к фокусуF₁, в результате чего получают сильно увеличенное действительное обратное изображение А^/ В^/предмета АВ, которое

рассматривают через окуляр Л₂. Окуляр располагают таким образом, чтобы изображение А^/ В^/находилось между окуляром и его фокусомF₂. При этом получается наблюдаемое глазом мнимое изображение А^// В^//, которое расположено на расстоянии наилучшего зренияD = 25 см от глаза наблюдателя.

И объектив, и окуляр микроскопа состоят из нескольких линз, что необходимо для устранения недостатков толстых линз (сферической, хроматической аберрации, астигматизма и др.). Хороший объектив может иметь свыше 10 линз. Какими бы сложными ни были объектив и окуляр данного микроскопа, расстояние между задним фокусом F₁^/объектива и передним фокусомF₂окуляра остается неизменным и называется оптической длиной тубуса=F₁^/F₂.

Как видно из рис. 1, изображение в окуляре мнимое и его невозможно измерить. Поэтому говорить о том, во сколько раз размер изображения больше размера самого предмета, не имеет смысла. Основной характеристикой микроскопа является величина, называемая угловым увеличениемГ, или простоувеличениеммикроскопа.Увеличение Г равно отношению угла зрения, под которым виден предмет при наблюдении через микроскоп, к углу зрения при наблюдении этого же предмета невооруженным глазом с расстояния D наилучшего зрения.Оно численно равно линейному увеличению.

Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива Г₁ и окуляра Г₂:

Г = Г₁Г₂. (1)

Т.к. то. (2)

Рис. 2

Из рис. 2 видно, что.(3) Увеличение объектива и окуляра обозначается соответствующим числом со знаком умножения (х), например, 15 х, и указывается на их оправах. Обычно объективы биологических микроскопов имеют увеличение от 6,3 до 100, а окуляров - от 7 до 15, поэтому общее увеличение лежит в пределах от 44 до 1500 раз.

Если фокусное расстояние объектива f₁, а окуляраf₂, то фокусное расстояние всей системы есть, где=F₁^/F₂- расстояние между фокусами объектива и окуляра. Тогда увеличение, даваемое микроскопом, равно

. (4)

При одних и тех же параметрах линз увеличение будет разным для глаза с нормальной остротой зрения (D = 25 см), для близорукого (D 25 см) и дальнозоркого (D 25 см): у близорукого оно будет меньше, чем у дальнозоркого, у нормального будет иметь промежуточное значение.

Величину полезного увеличения, даваемого микроскопом, ограничивают дифракционные явления. В результате дифракции нарушается геометрическое подобие между предметом и его изображением, при очень малых размерах предмета изображение не формируется, и наблюдается лишь дифракционная картина, состоящая из светлых и темных пятен.

Пределом разрешения называется наименьшее расстояние - линейное или угловое- между двумя точками, при котором они еще могут быть видимы раздельно. Обратная пределу разрешения величина называется разрешающей способностьюRоптического прибора. Для наименьшего предела разрешения теория дает

Рис. 3

выражение , (5) где А =числовая апертура,длина световой волны (для белого света принимается значение  = 555 нм), nпоказатель преломления среды между

предметом и объективом, угол между крайними лучами, идущими от краев предмета к центру линзы (рис. 3). Для повышения разрешающей способностимикроскопа необходимо либо применять более короткие длины волн (ультрафиолет), либо увеличивать его апертуру.

При применении микроскопов с ультрафиолетовым источником света изображение глазом не наблюдается, поэтому такой микроскоп используется в микрофотографии или микропроекции.

Числовую апертуру А =увеличивают применением иммерсионных систем, у которых пространство между предметом и объективом заполняется средой с показателем преломленияn 1, чаще всего кедровым маслом (n=1,5). Апертуры иммерсионных объективов достигают величиныА=1,3 (у обычных «сухих» объективовА~ 0,9). Увеличение микроскопа в пределах 500А- 1000Аназывается полезным, т.к. при нем глаза различают все элементы структуры объекта. При увеличении свыше 1000А не выявляются никакие новые структуры рассматриваемого объекта из-за явления дифракции, которое ограничивает разрешающую способность микроскопа.

На рис. 4 представлен микроскоп БИОЛАМ С-11 и его элементы. Оптическая схема микроскопа состоит из объектива (обращенного к объекту) и окуляра (обращенного к глазу), которые размещены на концах цилиндрической трубки - тубуса. Для установки на резкое изображение тубус поднимают или опускают с помощью винта кремальеры 6 (грубая наводка) или микрометрического винта 7 (точная наводка). Объект помещается на предметном столике и освещается снизу с помощью зеркала.

ﾧ Рис. 4

Элементы микроскопа БИОЛАМ С-11: Корпус Тубус Объектив Окуляр Предметный столик Винт грубой фокусировки Винт точной фокусировки Осветительное зеркало