Материал: Лабораторная №3

Лабораторная работа № 3 «Определение числовой апертуры и полезного увеличения микроскопа»

Цель работы: знать принципы устройства микроскопа и уметь им пользоваться

Приборы и принадлежности: микроскоп биологический, пластинка с маленьким отверстием в ней диаметром 0,5 мм, миллиметровая шкала.

Теоретические сведения

(краткий конспект основных положений в тетради, а именно, определения:

-что называется микроскопом (ход лучей в микроскопе зарисовать в тетрадь), линзой (оптическим центром, фокусом, главной и побочной оптической осью, фокусным расстоянием);

-апертурным углом, апертурой, пределом разрешения и разрешающей способностью (в каком соотношении они находятся), полезным увеличение микроскопа)

- какой объектив называется иммерсионным, способы увеличения разрешающей способности микроскопа, приемы микроскопии

Порядок выполнения работы

1. Определяем числовую апертуру микроскопа.

На предметный столик микроскопа помещаем пластинку с маленьким отверстием Р в ней диаметром 0,5 мм, действуя установочными винтами грубой и тонкой наводки, добиваемся того, чтобы изображение этого отверстия находилось в центре поля зрения микроскопа и было отчетливо видно. Кладем на основание штатива микроскопа миллиметровую шкалу достаточно хорошо освещенную и имеющую два указателя М и N.

Установив шкалу и сблизив указатели М и N около ее середины, осторожно вынимаем окуляр из тубуса микроскопа (не нарушая фокусировки объектива). Смотрим в тубус невооруженным глазом, видим изображение шкалы с делениями и изображение указателей М и N.

Ставим указатели так, чтобы их острия касались границы поля зрения. Отсчитаем и запишем расстояние между остриями в мм.

Измерим расстояние R = PL от пластины с отверстиями, лежащей на предметном столике микроскопа, до шкалы, находящейся на основании штатива.

Вычислим тангенс апертурного угла по формуле:

tg Θ = D/ R,

где D – половина расстояния между указателями, R – расстояние от предмета на предметном столике до шкалы.

Определим числовую апертуру микроскопа:

А = n sin Θ

2. Все результаты измерений занесем в таблицу.

- определим предел разрешения микроскопа:

Z = λ / n sin Θ,

где n = 1 – показатель преломления среды между объективом и предметом (нас воздух),

λ = 600 нм (нано приставка 10^-9) – среднее значение длины волны света, освещающего предмет

- определим полезное увеличение микроскопа:

Г = 0,2 мм / Z мм,

- определим увеличение окуляра, используя соотношение:

Г_ок = Г / Г_об, где Г _{об =} 8

Выполните тестовые задания

1.Наиболее близкое расстояние предмета от глаза, при котором еще возможно четкое изображение на сетчатке, называют…

1) расстоянием наилучшего зрения;

2) максимальной аккомодацией;

3) остротой зрения;

4) ближней точкой глаза;

5) передним фокусом приведенного редуцированного глаза.

2. В медицине разрешающую способность глаза оценивают…

1) наименьшим углом зрения;

2) углом зрения;

3) остротой зрения;

4) наименьшим расстоянием между двумя точками предмета, которые воспринимаются глазом отдельно;

5) расстоянием между двумя соседними зрительными клетками сетчатки.

3.Остротой зрения в медицине называют величину, показывающую во сколько раз…

1) наименьший угол зрения больше 1′;

2) наименьший угол зрения меньше 1′;

3) расстояние между двумя точками изображения на сетчатке больше 70 мкм;

4) расстояние между двумя точками изображения на сетчатке меньше 5 мкм.

4. Микроскоп - оптический прибор, служащий для увеличения:

1) изображения предмета;

2) предела разрешения глаза;

3) угла зрения при рассмотрении очень мелких объектов;

4) угла зрения при рассмотрении удаленных предметов;

5) микроскопических объектов.

5.Увеличением лупы называют отношение…

1) расстояния от объединенной узловой точки глаза до предмета к расстоянию от этой точки до сетчатки глаза;

2) размера предмета к размеру его изображения;

3) угла зрения, под которым видно изображение предмета, к углу зрения, под которым виден предмет, находящийся на расстоянии наилучшего зрения;

4) угла зрения, под которым видно изображение предмета, к фокусному расстоянию лупы;

5) угла зрения, под которым видно изображение предмета, к расстоянию наилучшего зрения.

6.Увеличение лупы равно отношению…

1) фокусного расстояния лупы к расстоянию наилучшего зрения;

2) расстояния от глаза до предмета к фокусному расстоянию лупы;

3) расстояния от глаза до предмета к расстоянию наилучшего зрения;

4) расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы;

5) расстояния наилучшего зрения к расстоянию от глаза до предмета.

7.Разрешающей способностью микроскопа обычно называют способность давать:

1) раздельное изображение двух точек;

2) изображение, зависящее от волновых свойств света;

3) раздельное изображение мелких деталей рассматриваемого предмета;

4) объективную картину рассматриваемого предмета.

8.Одной из важнейших характеристик микроскопа как оптического прибора является предел разрешения, который зависит:

1) от длины тубуса микроскопа и фокусного расстояния окуляра;

2) от длины волны света и расстояния наилучшего зрения;

3) от длины волны света и числовой апертуры;

4) от фокусных расстояний объектива и окуляра.

9.Пределом разрешения микроскопа называют…

1) величину, обратную наименьшему расстоянию между двумя точками предмета, когда эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки;

2) величину, равную наименьшему расстоянию между двумя точками предмета, когда эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе как две точки;

3) наименьшему расстоянию между фокусами объектива и окуляра;

4) длину волны света, используемую для освещения объекта;

5) расстояние между предметом и объективом.

10.Какое явление ограничивает возможность уменьшать предел разрешения оптического микроскопа?

1) интерференция света;

2) дифракция света;

3) поляризация света;

4) абсорбция света веществом

11.Угловой апертурой объектива микроскопа называют:

1) угол между крайними лучами конического светового пучка, входящего в оптическую систему;

2) половина угла между крайними лучами конического светового пучка входящего в оптическую систему;

3) угол между крайними лучами конического светового пучка с вершиной в фокусе объектива и входящего в оптическую систему;

4) половина угла между крайними лучами конического светового пучка с вершиной в фокусе объектива и входящего в оптическую систему;

5) апертурный угол Θ.

12. Числовой апертурой называется …

1) величина, равная произведению показателя преломления среды между предметом и объективом, на синус половины угловой апертуры;

2) величина, обратная произведению показателя преломления среды между предметом и объективом, на синус половины угловой апертуры

3) отношение показателя преломления среды между предметом и объективом, на синус половины угловой апертуры;

4) произведение длины волны, показателя преломления среды, и синуса половины апертурного угла.

13. Числовая апертура определяется по формуле:

1) Ζ=λ/(2n sin Θ)

2. 2) Z=λ/2A

3) A=n sin Θ

2. 4) A=λ/(2n sin Θ)

3. 5) A= λ/Z

14. Укажите, каким вопросам соответствуют правильные ответы:

541326

14. Оптической длиной тубуса называют расстояние между:

1) объективом и окуляром.

2) передним фокусом объектива и передним фокусом окуляра.

3) задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра.

4) передним фокусом объектива и задним фокусом окуляра.

5) задним фокусом объектива и задним фокусом окуляра.

14. С помощью поляризационного микроскопа исследуют:

1) изотропные прозрачные вещества;

2) анизотропные прозрачные вещества;

3) флуоресцирующие соединения;

4) фосфоресцирующие соединения.

Решить задачи

1. Линза с фокусным расстоянием 0,8 см используется в качестве объектива микроскопа с фокусным расстоянием окуляра, равным 2 см. Оптическая длина тубуса равна 18 см. Каково увеличение микроскопа?

2. Определить предел разрешения сухого и иммерсионного (n = 1,55) объективов c угловой апертурой u = 140^о. Длину волны принять равной 0,555 мкм.

3. Чему равен предел разрешения на длине волны λ = 0,555 мкм, если числовая апертура равна: А₁ = 0,25, А₂ = 0,65?

4. На ободке лупы имеется надпись «х10» Определить фокусное расстояние этой лупы.

5. Фокусное расстояние объектива микроскопа f₁ = 0,3 см, длина тубуса Δ = 15 см, увеличение Г = 2500. Найти фокусное расстояние F₂ окуляра. Расстояние наилучшего зрения a₀ = 25 см.

Теоретические сведения микроскопия

Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами: учеб. пособие / В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. - 2008.

1. Лупа.

2. Оптическая система микроскопа.

3. Увеличение микроскопа.

4. Предел разрешения. Разрешающая способность микроскопа.

5. Полезное увеличение микроскопа.

6. Специальные приемы микроскопии.

7. Основные понятия и формулы.

Способность глаза различать мелкие детали предмета зависит от размеров изображения на сетчатке или от угла зрения. Для увеличения угла зрения используют специальные оптические приборы.

Лупа

Простейшим оптическим прибором для увеличения угла зрения является лупа, представляющая собой короткофокусную собирающую линзу (f = 1-10 см).

Рассматриваемый предмет помещают между лупой и ее передним фокусом с таким расчетом, чтобы его мнимое изображение находилось в пределах аккомодации для данного глаза. Обычно используют плоскости дальней или ближней аккомодации. Последний случай предпочтительнее, так как глаз не утомляется (кольцевая мышца не напряжена).

Сравним углы зрения, под которыми виден предмет, рассматриваемый «невооруженным» нормальным глазом и с помощью лупы. Расчеты выполним для случая, когда мнимое изображение предмета получается на бесконечности (дальний предел аккомодации).

При рассматривании предмета невооруженным глазом (рис. 25.1, а) для получения максимального угла зрения предмет нужно поместить на расстояние наилучшего зрения а₀. Угол зрения, под которым при этом виден предмет, равен β = В/а₀ (В - размер предмета).

При рассматривании предмета с помощью лупы (рис. 25.1, б) его помещают в передней фокальной плоскости лупы. При этом глаз видит мнимое изображение предмета В', расположенное в бесконечно удаленной плоскости. Угол зрения, под которым видно изображение, равен β' ≈ В/f.

Рис. 25.1. Углы зрения: а - невооруженным глазом; б - с помощью лупы: f - фокусное расстояние лупы; N - узловая точка глаза

Увеличение лупы - отношение угла зрения β', под которым видно изображение предмета в лупе, к углу зрения β, под которым предмет виден «невооруженным» нормальным глазом с расстояния наилучшего зрения:

Увеличения лупы для близорукого и дальнозоркого глаза разные, так как у них различны расстояния наилучшего зрения.

Приведем без вывода формулу для увеличения, которое дает лупа, используемая близоруким или дальнозорким глазом при формировании изображения в плоскости дальней аккомодации:

где а_даль - дальний предел аккомодации.

Формула (25.1) позволяет предположить, что, уменьшая фокусное расстояние лупы, можно добиться сколь угодно большого увеличения. В принципе это так. Однако при уменьшении фокусного расстояния лупы и сохранении ее размеров возникают такие аберрации, которые сводят на нет весь эффект увеличения. Поэтому однолинзовые лупы обычно имеют 5-7-кратное увеличение.

Для уменьшения аберраций изготавливают сложные лупы, состоящие из двух-трех линз. В этом случае удается добиться 50-кратного увеличения.

25.2. Оптическая система микроскопа

Большее увеличение можно осуществить, рассматривая при помощи лупы действительное изображение предмета, создаваемое другой линзой или системой линз. Такое оптическое устройство реализовано в микроскопе. Лупу в этом случае называют окуляром, а другую линзу - объективом. Ход лучей в микроскопе показан на рис. 25.2.