Упражнение 2. Определение числовой апертуры и разрешающей способности микроскопа.

Лаборатаорная работа №4

Оптический микроскоп

Цель:Изучение устройства оптических приборов

Задача:Определить увеличение микроскопа при различных объективах и окулярах, определить числовую апертуру микроскопа и оценить минимальный разрешимый объект.

Принадлежности:Микроскоп с осветителем, объективный микрометр, рисовальный аппарат, столик, линейка.

Для рассмотрения очень мелких предметов нужно искусственно увеличить угол зрения, что достигается с помощью микроскопа. Описание устройства и теорию микроскопа можно найти в «Физическом практикуме» под редакцией Ивероновой В.И. (стр.564-569). Ход лучей микроскопа показан на рис.1.

Рассматриваемый предмет OP помещается перед фокусом объектива в непосредственной близости от него. Увеличенное обратное изображение предмета , даваемое объективом, рассматривается через окуляр как через лупу. Окуляр располагается таким образом, чтобы мнимое увеличенное изображение предмета оказалось на расстоянии наилучшего зрения от глаза ( d=25см ).

Размер изображения , даваемого объективом, будет равен

, где , где (1)

где - фокусное расстояние объектива. Размер мнимого изображения предмета согласно формуле, выражающей увеличение лупы, будет равен

(2)

где - фокусное расстояние окуляра.

Согласно (1) (3).

Линейное увеличение микроскопа будет (4)

Где - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра (оптическая длина микроскопа). Угловое увеличение микроскопа определяется формулой

(5)

где и углы зрения изображения и предмета .

Так как , , следовательно, (6).

Из формулы (4) видно, что для получения больших увеличений нужно уменьшить фокусные расстояния объектива и окуляра. Для достижения теоретически беспредельного увеличения радиусы кривизны поверхностей, вместе с ними и все геометрические размеры используемых линз должны стремиться к нулю. Это, конечно, является невыполнимой задачей.

С другой стороны, наименьший наблюдаемый размер объекта для оптического микроскопа ограничивается длиной волны видимого света. В любом случае из-за явления дифракции света объект должен иметь размеры, существенно превышающие длину волны синего цвета, которая примерно равна 400 нм = 0,4 мкм. Для изучения более мелких объектов используются электронные микроскопы, увеличение которых достигает нескольких 10000 крат.

Упражнение 1. Определение увеличения микроскопа.

Известный по размеру объект (проволоку диаметром d = 0,225мм) поместить в поле обзора микроскопа, найти и сфокусировать изображение при откинутом дополнительном окуляре рисовальной приставки. Постепенно вращая кремальерный винт, меняя высоту тубуса микроскопа, добиться четкого изображения объекта. Затем, поставив на столик масштабную линейку, дополнительный окуляр рисовальной приставки надвинуть на окуляр микроскопа. Отрегулировать угол поворота зеркала рисовальной приставки. При этом через окуляр наблюдатель видит совмещенное двойное изображение объекта (проволоки) и масштабной линейки. Измерить линейкой толщину изображения проволоки. Очевидно, увеличение микроскопа будет

(*)
Упражнение заключается в определении увеличения для различных комбинаций двух объективов и двух окуляров. С каждой парой объектива и окуляра проделать не менее трёх измерений. Из полученных результатов взять среднее арифметическое значение. Зная линейное увеличение микроскопа нетрудно определить размеры предметов, например своего волоса. Результаты занести в таблицу

Указания к выполнению работы:

1. Подготовить таблицу экспериментальных данных.

d=_________, толщина проволоки.

Объектив	Окуляр	Д₁	Д₂	Д₃	Д_ср	К

2. Измерить толщину проволоки с помощью штангенциркуля.

3. Поместить проволоку на столик микроскопа.

4. Направить объектив 8х на столик.

5. Поместить в тубус микроскопа первый окуляр.

6. С помощью осветительного зеркальца добиться яркости изображения.

7. Постепенно вращая кремальерный винт (меняя высоту тубуса микроскопа) добиться четкого изображения объекта.

8. Надвинуть дополнительный окуляр рисовальной приставки на основной окуляр.

9. Регулируя угол поворота зеркала рисовальной приставки совместить изображение проволоки с изображением листка белой бумаги помещенного на подставку сбоку микроскопа.

10. В трех местах на листке отметить толщину проволоки, затем измерить линейкой.

11. Повторить с 6-10 пункты для второго окуляра.

12. Повторить с 5-11 для объектива 40х.

13. Вычислить средние значения для толщин изображений проволоки.

14. По формуле (*) найти увеличение микроскопа.

Упражнение 2. Определение числовой апертуры и разрешающей способности микроскопа.

Разрешающая способность характеризуется наименьшим расстоянием между двумя точками рассматриваемого предмета, которые видны раздельно. Чем меньше это расстояние, тем больше разрешающая способность оптического прибора (микроскопа). В случае освещенных объектов по методу Аббе предельное расстояние между двумя разрешенными точками определяется из условия: , где -длина волны в вакууме, A = n sinφ означает числовую апертуру объектива, угол - называется апертурным углом (рис.3).

Таким образом, увеличение разрешающей способности микроскопа можно добиться, применяя оптически плотные среды. Используются так называемые иммерсионные жидкости (например, кедровое масло с ), которыми заполняется пространство между предметом и объективом. Также для наблюдения используют более коротковолновый диапазон (ультрафиолетовый свет).

Для определения числовой апертуры A на столике микроскопа устанавливают металлическую пластинку с круглым отверстием О (рис.3). Микроскоп фокусируется на края пластинки, после чего окуляр вынимается. Затем отвести в сторону осветительное зеркальце и на расстоянии l= ОD = 10см установить картон. В поле зрения наблюдателя виден круг, диаметр которого АВ необходимо определить. На картон положить лист белой бумаги, и глядя через микроскоп, зарисовать на бумаге карандашом видимый круг. Следует измерить с помощью масштабной линейки диаметр АВ нарисованного круга 5 раз и найти среднее значение АВ_ср.

Из рис.3 видно, что .

Определить числовую апертуру A = n sinφ, для воздуха n = 1.

Вычислитьпредельный разрешимый размер для микроскопа при различных длинах волн ( d_кр красный цвет λ= 600 мкм, d_син синий цвет λ=400 мкм). Результаты измерений и вычислений занести в таблицы.

Указания к выполнению работы:

1. Подготовить таблицу экспериментальных данных.

№ измерения	1	2	3	4	5	среднее
АВ, мм

l, мм	tg φ	φ	sin φ	n	А	d_кр, мкм	d_син, мкм
				1

2. Направить объектив 8х на подставку.

3. Поместить один из окуляров в тубус микроскопа.

4. Поместить металлическую пластинку с круглым отверстием (в отверстии находиться стекло) на столик микроскопа.

5. Сфокусировать микроскоп на края пластинки (настроить так чтобы были четко видны микроцарапины на стекле).

6. На осветительное зеркальце поместить картонку, а на картонку лист белой бумаги.

7. Вынуть окуляр микроскопа.

8. Смотря через тубус, на бумаге нарисовать круг по краям.

9. Пять раз измерить диаметр круга, вычислить среднее.

10. Измерить расстояние l от бумаги до пластинки.

11. Вычислить угол φ.

12. Вычислить числовую апертуру.

13. Вычислитьпредельный разрешимый размер для микроскопа при различных длинах волн (d_кр красный цвет λ= 600 мкм, d_син синий цвет λ=400 мкм).

Контрольные вопросы:

1. Устройство микроскопа

2. Начертите и объясните ход лучей в микроскопе.

3. От чего зависит линейное увеличение микроскопа?

4. Подтверждают ли ваши результаты формулу (4)?

5. От чего зависит разрешающая способность микроскопа?

6. Апертура

7. Иммерсионные жидкости

8. Минимальный разрешимый размер объекта в микроскопе

9. Полезное увеличение микроскопа

10. Электронные микроскопы

Литература:

1. Курс физики //под ред. В.Н.Лозовского.- С-Пб., изд. Лань, 2001

2. Ландсберг Г.С. Оптика.- М., Гостехиздат, 1979.

3. Иверонова В.И. Физический практикум.- М., Наука, 1963.

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. –М.: Высшая школа, 2000

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1884; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!