Насколько хорошо вам знакомы увеличительные приборы? 5 класс средней школы - это время, когда мы впервые знакомимся с ними. На уроках детям рассказывают самое основное об их устройстве и создателях. Не хотите ли вы углубить свои знания о них? А может быть, вы готовите урок на тему "Увеличительные приборы" (5 класс)? В любом случае нам есть о чем вам рассказать.
История открытия увеличительных приборов начинается в далеком прошлом. До нас дошла большая плосковыпуклая линза - одна из самых древних. Ее диаметр - 55 мм, а фокусное расстояние - около 150 мм. Она была изготовлена из горного хрусталя за 2,5 тыс. лет до н. э. Ее обнаружил в 1890 году Г. Шлиман при раскопках Трои. Примерно в 600-400 гг. до н. э. начали изготавливать стеклянные линзы. Они были обнаружены в Саргоне (это Месопотамия). В Швеции в 1877 г. была найдена двойная линза диаметром 5 см, выпуклая с обеих сторон. Она относится к 500 году н. э. Можно долго продолжать список древних линз, которые удалось обнаружить исследователям. История открытия увеличительных приборов располагает множеством фактов. Несмотря на это, о том, как они использовались в те времена, можно лишь строить предположения.
Современные ученые ознакомились с доскональным описанием линз, выполненным Роджером Бэконом, монахом францисканского ордена (годы жизни - 1214-1294 гг.). Он был выпускником Оксфордского университета, а также прославился как видный мыслитель и ученый. Линзы, согласно его труду, использовались для увеличения изображения. Из перевода фрагмента сочинения следует, что Бэкону удалось правильно описать действие линз, которые служили обратным телеобъективом (речь идет об описании зрительной однокомпонентной трубы).
История открытия увеличительных приборов немыслима без имени этого человека. Примерно через 300 лет после смерти Бэкона Галилео Галилей, известный ученый из Италии, создал похожую трубу. Она была не трех-, а двухкомпонентной. Практически "сверстником" такой зрительной трубы является микроскоп. Принято считать, что он обязан своим появлением Галилею. Галилео раздвинул зрительную трубу и заметил, что мелкие предметы в таком состоянии можно хорошо увеличить. Д. Вивиани подтверждает, что микроскоп изобрел именно Галилей. Вивиани, кстати, написал биографию этого итальянского ученого.
Важным для науки событием была отмечена история открытия увеличительных приборов в 1625 году. Именно тогда Фабер, член римской Академии, впервые употребил сам термин "микроскоп" по отношению к сделанному Галилеем изобретению.
История открытия микроскопа продолжается работами К. Дребеля и Алькмара. Эти голландские ученые сконструировали прибор, который состоял из двух выпуклых линз. Благодаря этому изображение предмета, который рассматривался под ним, было представлено в перевернутом виде. Этот сложный микроскоп, имевший двояко- или плосковыпуклый окуляр, а также двояковыпуклый объектив, считается предшественником сложных микроскопов более позднего времени (один из них представлен на фото ниже).
Итальянец Торе примерно в 1660 году изготовил шарообразные лупы из застывших капель стекла. История открытия микроскопа немыслима без этого имени, поскольку созданные итальянцем лупы позволили увеличивать предметы в полторы тысячи раз.
Говорит ли вам о чем-то еще одно имя - Роберт Гук? Этот английский ученый внес большой вклад в открытие увеличительных приборов. Роберт Гук усовершенствовал их настолько, что это стало одним из знаменательных событий в истории оптики. Схема микроскопа Гука представлена на фото ниже.
Благодаря этому изобретению в 1665 году Роберту удалось впервые увидеть клетки на срезе пробки. Так, важное техническое средство получила такая наука, как биология. Увеличительные приборы продолжил совершенствовать Левенгук. Расскажем и о нем.
Заметный вклад в историю развития увеличительных приборов внес А. В. Левенгук, голландец, проживавший в таком городе, как Дельфт. Годы его жизни - 1632-1723 гг. Он самостоятельно сконструировал и использовал в исследованиях простые микроскопы (одна из моделей таких приборов представлена ниже), способные увеличивать до трехсот крат.
Именно Левенгук первым составил описание микроскопических организмов (включая и одноклеточных бактерий), опираясь на свои наблюдения. В 1698 году Петр I, русский царь, нанес визит этому знаменитому исследователю. Петр находился в то время в Голландии и, как известно, интересовался всем новым. Для своей Кунсткамеры, открытой им в Петербурге, он закупил несколько сложных и простых микроскопов. А гораздо позже, уже после открытия Академии наук, они были переданы в распоряжение этой организации.
В урок "Увеличительные приборы" следует включить также рассказ о достижениях в оптике представителей нашей страны. Перспективные русские ученые, работой которых руководил М. В. Ломоносов, стали применять в биологических исследованиях купленные Петром I микроскопы. А впоследствии они активно участвовали в их усовершенствовании.
Открытие увеличительных приборов продолжилось в 1747 году. Именно тогда Л. Эйлер, член Академии наук Петербурга (годы жизни - 1707-1783 гг.), предложил использовать для микроскопа ахроматический объектив. Фундаментальный труд этого ученого в сфере геометрической оптики - "Диоптрика". Он состоит из трех томов, которые были изданы в 1769-1771 гг. Новый микроскоп, уже ахроматический, был выпущен в 1802 году, после того, как была опубликована работа Элинуса (тоже члена Академии наук г. Петербурга).
Такой микроскоп в то время считался совершенным до такой степени, что ученые даже не допускали мысли о том, что его можно улучшить. Открытие это наделало много шума в то время. Устройство увеличительных приборов Элинуса было следующим. Они были снабжены шестью объективами, имелась возможность изменения увеличения плавно, менялось расстояние от предмета до изображения. Именно в нашей стране родилась и воплотилась в жизнь важная для науки идея ахроматического микроскопа, имеющего переменное увеличение. Однако этот замысел в дальнейших разработках не прижился. Изменение увеличения прибора с помощью регулирования длины тубуса, тем не менее, было важной идеей, внесшей существенный вклад в историю развития оптических приборов. Сегодня один из микроскопов, созданных Элинусом, можно увидеть в Политехническом музее Москвы, который относится к Институту истории, естествознания и техники. На фото ниже представлены увеличительные приборы, относящиеся к 18-му веку.
И. Г. Тидеман, немецкий оптик из города Штутгарта, в начале 19-го века принялся за создание двух ахроматических микроскопов. Университет Дерпта (сегодня он носит название Тарту) выделил ему денежные средства на осуществление работ. В 1808 году были выпущены эти приборы.
В 1807 году, за год до создания ахроматических микроскопов, Ван Дейл, голландский оптик, опубликовал свой труд. В нем было представлено описание конструкции ахроматического микроскопа, созданного им. Западноевропейские историки считают, что первым таким прибором удовлетворительного качества был созданный именно этим ученым микроскоп. Однако он по всем параметрам уступал сконструированному Элинусом. Кстати, ахроматические микроскопы И. Фраунгофера, выпущенные в 1811 г., отличались еще более несовершенной конструкцией, если сравнивать их с микроскопами Элинуса.
В первой половине 19-го века увеличительные приборы выпускались уже во многих местах на земле. В России их производство началось еще в 18-м веке, однако поутихло к началу 19-го столетия. Известно, что примерно в 1820 году довольно высокого качества микроскопы производила мастерская по изготовлению оптики, находившаяся при Казанском университете. Однако в России все-таки не наблюдалось бурного развития этой отрасли промышленности, поскольку правительство того времени полагало, что оптимальным вариантом является покупка увеличительных приборов за рубежом.
Амичи Джамбаттиста (годы жизни - 1786-1863 гг.) - известный итальянский ученый-оптик, астроном и ботаник. Многие годы своей жизни он посвятил развитию микроскопии. В 1827 году Амичи сам сконструировал и сделал ахроматический объектив, имевший апертуру 0,60 и хорошую коррекцию аберраций. Этот же ученый в 1844 году приступил к опытам по применению водной и масляной иммерсий. Благодаря им был начат выпуск объективов с числовой апертурой 1,30 и водной иммерсией.
Приборы с масляной иммерсией, имеющие апертуру 1,50 (которые используются и по сей день), начали выпускаться благодаря работе Эрнста Аббе, немецкого оптика. Он изобрел закон синусов, с помощью которого была устранена кома, наблюдавшаяся в малых линейных полях. Э. Аббе продолжил развивать теорию формирования изображения в увеличительном приборе. Он прояснил и вопрос разрешающих способностей этих аппаратов. Аббе был руководителем работ по созданию целой серии ахроматических микрообъективов высокого качества. Их числовая апертура достигала 1,50. Эти приборы были выпущены в Йене фирмой "К. Цейс" (в 1872 году). Эта же компания под руководством Э. Аббе сделала 8 апохроматов. А в 1888 году ее сотрудники разработали апохромат, который обладал апертурой 1,60 и имел монобромнафталиновую иммерсию.
Русские ученые Д. С. Рождественский и Л. И. Мандельштам развили теорию Эрнста в своих трудах. Важная заслуга Рождественского состояла в том, что он ввел понятие относительной некогерентности освещения. Р. Рихтер, сотрудник фирмы "К. Цейс", разработал и получил патент на особое осветительное устройство, используемое в микроскопе. Однако и по сей день актуальна проблема оптимального соотношения параметров сменных объективов и системы освещения. Отечественные микроскопы сегодня ничем не уступают по техническому исполнению и оптическим параметрам приборам, созданным известными компаниями за границей.
Итак, мы кратко изложили историю возникновения современных микроскопов. Разрабатывая урок "Увеличительные приборы" (5 класс), вы можете воспользоваться представленной в статье информацией.
fb.ru
План.
Введение
Глава 1. Оптические инструменты,вооружающие глаз.
1.1. Оптическиеприборы для визуальных наблюдений;
1.2.Оптические инструменты :
1.2.1. Лупа;
1.2.2.Микроскоп;
1.2.3.Зрительная труба;
1.2.4.Проекционные аппараты;
1.2.5.Спектроскоп.
Глава 2. Дифракционные явления воптических инструментах.
2.1. ДифракцияФраунгофера в геометрически сопряженных плоскостях;
2.2.Дифракция Фраунгофера на щели и круглом отверстии;
2.3.Интенсивность света в фокусе линзы;
2.4.Дифракционный предел разрешения оптических инструментов:
2.4.1.Разрешающая способность телескопа;
2.4.2. Разрешающаяспособность глаза;
2.4.3. Пределразрешения микроскопа;
2.4.4. Замечаниео нормальном увеличении оптических инструментов.
Введение
Оптика — раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения (света), егораспространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтомуоптика — часть общего учения об электромагнитном поле.
Оптика — это учение офизических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитныхволн, длина которых составляет приблизительно 10-5-10-7м. Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем,что внутри нее в узком интервале длин волн от 400-760 нм лежит участок видимогосвета, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом. Он ограничен содной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения.С точки зрения физики происходящих процессов выделение столь узкого спектраэлектромагнитных волн (видимого света) не имеет особого смысла, поэтому впонятие «оптический диапазон» включает обычно ещё и инфракрасное иультрафиолетовое излучение.
Ограничение оптическогодиапазона условно и в значительной степени определяется общностью техническихсредств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средстви методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формированиеизображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которыхмного больше длины? излучения, а так же использование приёмников света,действие которых основано на его квантовых свойствах.
По традиции оптику принятоподразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическаяоптика оставляет вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов егораспространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся иотражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейныхв оптически однородной среде. Её задача — математически исследовать ходсветовых лучей в среде с известной зависимостью показателя преломления n откоординат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающихсред, при которых лучи происходят по заданному пути. Наибольшее значениегеометрической оптики имеет для расчёта и конструирования оптических приборов — от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.
Физическая оптикарассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений.Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано нарезультатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света,интерференции, поляризации света и распространения в анизотропных средах.
Одна из важнейших традиционныхзадач оптики — получение изображений, соответствующих оригиналам как погеометрической форме, так и по распределению яркости решается главным образомгеометрической оптикой с привлечением физической оптики. Геометрическая оптикадает ответ на вопрос, как следует строить оптическую систему для того, чтобыкаждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранениигеометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источникиискажений изображения и их уровень в реальных оптических системах. Дляпостроения оптических систем существенна технология изготовления оптическихматериалов с требуемыми свойствами, а также технологию обработки оптическихэлементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркаласо сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышениякачества изображений при высокой светосиле используют оптические элементы.
Глава 1. Оптические инструменты, вооружающие глаз.
1.1.Оптические приборы для визуальных наблюдений
Для невооруженного глазанаименьший угол зрения приблизительно равен 1'. Этот угол определяетсямозаичным строением сетчатки, а также волновыми свойствами света. Существуетряд приборов, предназначенных для увеличения угла зрения – лупа, микроскоп,зрительная труба. При визуальных наблюдениях глаз является неотъемлемой частьюоптической системы, поэтому ход лучей в приборах, вооружающих глаз, зависит отаккомодации глаза. При анализе работы оптических приборов для визуальныхнаблюдений удобнее всего полагать, что глаз наблюдателя />аккомодирован набесконечность.Это означает, что лучи от каждой точки предмета, пройдя через прибор, попадаютв глаз в виде параллельного пучка. В этих условиях понятие линейного увеличениятеряет смысл. Отношение угла зрения φ при наблюдении предмета черезоптический прибор к углу зрения ψ при наблюдении невооруженным глазомназывается />угловым увеличением:
/>
Угловое увеличение является важной характеристикой оптическихприборов для визуальных наблюдений.
Следует отметить, что в некоторых учебниках полагается, что глазнаблюдателя аккомодирован на расстояние наилучшего зрения нормального глаза d0. В этом случае ход лучей в приборах несколькоусложняется, но угловое увеличение прибора приближенно остается таким же, как ипри аккомодации на бесконечность.
/>Лупа. Простейшим прибором длявизуальных наблюдений является лупа. Лупой называют собирающую линзу с малымфокусным расстоянием (F ≈ 10 см).Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет – в ее фокальнойплоскости. Предмет виден через лупу под углом
/>
где h – размер предмета. При рассматриванииэтого же предмета невооруженным глазом его следует расположить на расстоянии d0 = 25 см наилучшего зрениянормального глаза. Предмет будет виден под углом
/>
Отсюда следует, что угловое увеличение лупы равно
/>
Линза с фокусным расстоянием 10 см дает увеличение в2,5 раза. Работу лупы иллюстрирует рис. 3.5.1.
Микроскоп. Микроскоп применяют дляполучения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенноеизображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы,состоящей из двух короткофокусных линз – объектива O1и окуляра O2 (рис. 3.5.2). Объектив дастдействительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточноеизображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогичнодействию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображениенаходилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точкипредмета распространяются после окуляра параллельным пучком.
/>
Рисунок 3.5.1.
Действие лупы:а – предмет рассматривается невооруженным глазом с расстояниянаилучшего зрения d0 = 25 см;б – предмет рассматривается через лупу с фокусным расстоянием F.
/>/>
Рисунок 3.5.2.
Ход лучей в микроскопе.
Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегдаперевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкогошрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловоеувеличение микроскопа принято считать положительной величиной.
Как следует из рис. 3.5.2, угол зрения φ предмета, рассматриваемогочерез окуляр в приближении малых углов,
/>
Приближенно можно положить d ≈ F1 и f ≈ l, где l – расстояние между объективом иокуляром микроскопа («длина тубуса»). При рассматривании того же предметаневооруженным глазом
/>
В результате формула для углового увеличения γ микроскопаприобретает вид
/>
Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз.При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.
У реальных микроскопов объектив и окуляр представляют собойсложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.
/>Телескоп. Телескопы (/>зрительные трубы) предназначены для наблюденияудаленных объектов. Они состоят из двух линз – обращенной к предмету собирающейлинзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокуснымрасстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю. Зрительные трубы бывают двухтипов:
· Зрительнаятруба Кеплера,предназначенная для астрономических наблюдений. Одна дает увеличенные перевернутые изображения удаленных предметов и поэтомунеудобна для земных наблюдений.
· Зрительнаятруба Галилея,предназначенная для земных наблюдений, дающая увеличенные прямыеизображения. Окуляром в трубе Галилея служит рассеивающая линза.
На рис. 3.5.3 изображен ход лучей вастрономическом телескопе. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодированна бесконечность, поэтому лучи от каждой точки удаленного предмета выходят изокуляра параллельным пучком. Такой ход лучей называется />телескопическим. В астрономической трубетелескопический ход лучей достигается при условии, что расстояние междуобъективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний l = F1 + F2.
Зрительная труба (телескоп) принято характеризовать угловым увеличением γ. В отличие от микроскопа, предметы,наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя. Если удаленный предметвиден невооруженным глазом под углом ψ, а при наблюдении через телескоппод углом φ, то угловым увеличением называют отношение
/>
Угловому увеличению γ, как и линейному увеличению Γ,можно приписать знаки плюс или минус в зависимости от того, являетсяизображение прямым или перевернутым. Угловое увеличение астрономической трубыКеплера отрицательно, а земной трубы Галилея положительно.
Угловое увеличение зрительных труб выражается через фокусныерасстояния:
/>
/>
Рисунок 3.5.3.
Телескопический ход лучей.
В качестве объектива в больших астрономических телескопахприменяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются />рефлекторами. Хорошее зеркало прощеизготовить, кроме того, зеркала в отличие от линз не обладают хроматическойаберрацией.
В России построен самый большой в мире телескоп с диаметромзеркала 6 м. Следует иметь в виду, что большие астрономические телескопыпредназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния междунаблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световойэнергии от слабосветящихся объектов.
1.2. Оптические инструменты.
1.2.1. Лупа
Одним из простейших оптическихприборов является лупа – собирающая линза, предназначенная для рассматриванияувеличенных изображений малых объектов. Линзу подносят к самому глазу, апредмет помещают между линзой и главным фокусом. Глаз увидит мнимое иувеличенное изображение предмета. Удобнее всего рассматривать предмет черезлупу совершенно ненапряженным глазом, аккомодированным на бесконечность. Дляэтого предмет помещают в главной фокальной плоскости линзы так, что лучи,выходящие из каждой точки предмета, образуют за линзой параллельные пучки. Нарисунке изображено два таких пучка, идущих от краев предмета. Попадая ваккомодированный на бесконечность глаз, пучки параллельных лучей фокусируютсяна ретине и дают здесь отчетливое изображение предмета.
/>
Угловое увеличение.Глаз находится очень близко к линзе, поэтому за угол зрения можно принять угол2Y, образованный лучами, идущими от краев предмета черезоптический центр линзы. Если бы лупы не было, нам пришлось бы поставитьпредмет на расстоянии наилучшего зрения (25 см) от глаза и угол зрения был быравен 2Y. Рассматривая прямоугольные треугольники с катетами 25 см и F см иобозначая половину предмета Z, можем написать :
/>
где 2B – угол зрения, при наблюдении через лупу;
2Y — угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;
F – расстояние от предмета до лупы;
Z – половина длины рассматриваемого предмета.
Принимая во внимание, что через лупу рассматривают обычномелкие детали и поэтому углы Y и B малы, можно тангенсы заменить углами. Такимобразом получится cледующее выражение для увеличения лупы
/>
Следовательно, увеличение лупыпропорционально 1 / F, то есть её оптической силе.
1.2.2.Микроскоп
Прибор,позволяющий получить большое увеличение при рассматривании малых предметов,называется микроскопом.
Простейший микроскоп состоитиз двух собирающих линз.
Очень короткофокусный объективL1 даёт сильно увеличенное действительное изображение предмета P'Q', которое рассматривается окуляром, как лупой.
/>
Обозначим линейное увеличение, даваемое объективом, через n1, а окуляром через n2, этозначит, что = n1 и = n2 ,
где P'Q' – увеличенноедействительное изображение предмета;
PQ – размер предмета;
P''Q'' — увеличенное мнимоеизображение предмета;
n1 – линейноеувеличение объектива;
n2 – линейноеувеличение окуляра.
Перемножив эти выражения,получим = n1 n2,
где PQ – размер предмета;
P''Q'' — увеличенноемнимое изображение предмета;
n1 – линейное увеличение объектива;
n2 – линейное увеличение окуляра.
Отсюда видно, что увеличениемикроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом и окуляром вотдельности. Поэтому возможно построить инструменты, дающие очень большиеувеличения – до 1000 и даже больше. В хороших микроскопах объектив и окуляр — сложные.
Окуляр обычно состоит из двухлинз объектив же гораздо сложнее. Желание получить большие увеличениязаставляют употреблять короткофокусные линзы с очень большой оптической силой.Рассматриваемый объект ставится очень близко от объектива и дает широкий пучоклучей, заполняющий всю поверхность первой линзы. Таким образом, создаютсяочень невыгодные условия для получения резкого изображения: толстые линзы инецентральные лучи. Поэтому для исправления всевозможных недостатков приходитсяприбегать к комбинациям из многих линз различных сортов стекла.
В современных микроскопахтеоретический предел уже почти достигнут. Видеть в микроскоп можно и оченьмалые объекты, но их изображения представляются в виде маленьких пятнышек, неимеющих никакого сходства с объектом.
При рассматривании такихмаленьких частиц пользуются так называемым ультрамикроскопом, которыйпредставляет собой обычный микроскоп с конденсором, дающим возможностьинтенсивно освещать рассматриваемый объект сбоку, перпендикулярно осимикроскопа.
С помощью ультрамикроскопаудаётся обнаружить частицы, размер которых не превышает миллимикронов.
1.2.3. Зрительнаятруба
Простейшаязрительная труба состоит из двух собирающих линз. Одна линза, обращенная крассматриваемому предмету, называется объективом, а другая, обращенная кглазу наблюдателя — окуляром.
Ход лучей в зрительной трубепоказан на рисунке.
/>
Объектив L1 даетдействительное обратное и сильно уменьшенное изображение предмета P1Q1, лежащее около главного фокуса объектива. Окуляр помещают так, чтобы изображениепредмета находилось в его главном фокусе. В этом положении окуляр играет рольлупы, при помощи которой рассматривается действительное изображение предмета.Действие трубы, так же как и лупы, сводится к увеличению угла зрения. Припомощи трубы обычно рассматривают предметы, находящиеся на расстояниях, вомного раз превышающих её длину.
/>
Поэтому угол зрения, подкоторым предмет виден без трубы, можно принять угол 2B, образованный лучами,идущими от краев предмета через оптический центр объектива.
Изображение видно под углом 2Yи лежит почти в самом фокусе F объектива и в фокусе F1 окуляра.
Рассматривая два прямоугольныхтреугольника с общим катетом Z', можем написать:
/>
где 2Y — угол под которымвидно изображение предмета;
2B — угол зрения, под которымвиден предмет невооруженным глазом;
F — фокус объектива;
F1 — фокус окуляра;
Z' — половина длинырассматриваемого предмета.
Углы Y и B — не велики,поэтому можно с достаточным приближением заменить tgY и tgB углами и тогдаувеличение трубы
/>
где 2Y — угол под которым видно изображение предмета;
2B — угол зрения, под которым виден предмет невооруженным глазом;
F — фокус объектива;
F1 — фокус окуляра.
Угловое увеличение трубыопределяется отношением фокусного расстояния объектива к фокусному расстояниюокуляра. Чтобы получить большое увеличение, надо брать длиннофокусный объективи короткофокусный окуляр.
1.2.4. Проекционныеаппараты.
Для показазрителям на экране увеличенного изображения рисунков, фотоснимков или чертежейприменяют проекционный аппарат. Рисунок на стекле или на прозрачной пленкеназывают диапозитивом, а сам аппарат, предназначенный для показа такихрисунков, — диаскопом. Если аппарат предназначен для показа непрозрачных картини чертежей, то его называют эпископом. Аппарат, предназначенный для обоихслучаев называется эпидиаскопом.
Линзу, которая создаетизображение находящегося перед ней предмета, называют объективом. Обычнообъектив представляет собой оптическую систему, у которой устранены важнейшиенедостатки, свойственные отдельным линзам. Чтобы изображение предмета на былохорошо видно зрителям, сам предмет должен быть ярко освещен.
Источник света S помещается вцентре вогнутого зеркала (рефлектора) Р. свет идущий непосредственно отисточника S и отраженный от рефлектора Р, попадает на конденсор К,который состоит из двух плосковыпуклых линз. Конденсор собирает эти световыелучи на объективе О, который уже направляет их на экран Э, гдеполучается изображение диапозитива Д.
/>
Сам диапозитив помещаетсямежду главным фокусом объектива и точкой, находящейся на расстоянии 2Fот объектива. Резкость изображения на экране достигается перемещениемобъектива, которое часто называется наводкой на фокус.
1.2.5. Спектроскоп
Для наблюдения спектровпользуются спектроскопом.
Наиболее распространенный призматическийспектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трехгранную призму.
/>
В трубе А, называемой коллиматором имеется узкаящель, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещаетсяисточник света, спектр которого необходимо исследовать. Щель располагается вфокальной плоскости коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматора выходятв виде параллельного пучка. Пройдя через призму, световые лучи направляются втрубу В, через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначен дляизмерений, то на изображение спектра с помощью специального устройстванакладывается изображение шкалы с делениями, что позволяет точно установитьположение цветовых линий в спектре.
При исследовании спектра часто бываетцелесообразней сфотографировать его, а затем изучать с помощью микроскопа.
Прибор для фотографирования спектров называетсяспектрографом.
Схема спектрографа показана на рисунке.
Спектр излучения с помощью линзы Л2фокусируется на матовое стекло АВ, которое при фотографировании заменяютфотопластинкой.
/>
Глава 2. Дифракционные явления в оптическихинструментах
Дифракционные явления играютважную роль при работе оптических инструментов, предназначенных для полученияизображений объектов (глаз, объектив телескопа, микроскоп и т.д.). Дифракцияопределяет волновой предел разрешения инструментов, то есть минимальный размердеталей объекта, которые могут быть разрешены в изображении.
Оптические изображения,полученные с помощью линз или зеркал, никогда не воспроизводят объект сидеальной точностью. Они бывают искажены вследствие всякого рода несовершенствоптических систем (аберрации). Но даже идеальная линза, свободная от аберраций,не может дать идеального изображения из-за волновой природы света. Дифракциясветовой волны, возникающая из-за конечного размера линз и зеркал, приводит кнарушению стигматичности изображений. Это означает, что изображения точечныхобъектов не могут быть точечными; они изображаются дифракционными пятнамиконечного размера. Вследствие перекрытия дифракционных изображений две близкиеточки объекта могут оказаться неразрешимыми в изображении. Таким образом,возникает важная задача о дифракционном пределе разрешения оптическихинструментов.
2.1. ДифракцияФраунгофера в геометрически сопряженных плоскостях.
/> /> Изображения, получаемые при помощи линз или зеркал, располагаются вгеометрически сопряженных плоскостях. В этом случае для пучка лучей,распространяющегося от каждой точки объекта, выполняется условие дифракцииФраунгофера. Пусть, например, параллельный пучок света от далекого точечногообъекта, сходится в фокальной плоскости линзы (рис. 2.1).Рисунок 2.1.
ДифракцияФраунгофера в фокальной плоскости линзы.
Каждая точка фокальнойплоскости соответствует бесконечно удаленной точке; следовательно, в фокальнойплоскости выполняется условие дифракции Фраунгофера. Роль препятствия, накотором свет испытывает дифракцию, играет диафрагма D, ограничивающаясясветовой пучок. Такой диафрагмой, в частности, может являться оправа самойлинзы. Принято говорить, что дифракция происходит на входной апертуреоптической системы.
Аналогичным образом можнопроиллюстрировать случай, когда точечный источник находится на конечномрасстоянии a от линзы, а изображение возникает на расстоянии b за линзой. Приэтом расстояния а и b подчиняются формуле линзы
/>
(2.1)
Для простоты мыограничиваемся здесь случаем тонкой линзы.
Для того, чтобы пояснить,почему и в этом случае выполняется условие наблюдения дифракции Фраунгофера,заменим одиночную линзу с фокусным расстоянием F двумя вплотную расположеннымилинзами с фокусными расстояниями и (рис. 2.2). Тогда источник оказываютсярасположенными в переднем фокусе первой линзы, а плоскость изображениясовпадает с задней фокальной плоскостью второй линзы. При этом автоматическивыполняется соотношение (2.1), так как оно равносильно правилу сложенияоптических сил (то есть обратных фокусных расстояний) двух близко расположенныхлинз. В промежутке между линзами лучи идут параллельным пучком. Сравнивая рис. 2.1и 2.2, можно заключить, что во втором случае дифракция Фраунгофера
/> /> происходит на общей оправе линз и наблюдается в задней фокальной плоскостивторой линзы.Рисунок 2.2.
ДифракцияФраунгофера в плоскости, геометрически сопряженной источнику.
Рис. 2.1 соответствуеткартине дифракции света в объективе телескопа (или глаза), рис. 2.2 – дифракциив объективе микроскопа.
2.2. ДифракцияФраунгофера на щели и круглом отверстии.
Если перед линзой расположенадиафрагма в виде узкой щели ширины D, то расчет для дифракционной картины Фраунгоферане представляет труда. В этом случае для распределения интенсивности вдифракционной картине получается выражение
/> /> (2.2)Здесь q – угловая координатаплоскости наблюдения. При наблюдении дифракции в геометрически сопряженнойплоскости линейная координата r связана (в случае малых углов) с угловой координатой соотношением: r = F*q. (или r = F2*q для случаярисунка 2.2).
Распределение l(q) имеет главный максимум при q = 0 и эквидистантно расположенные нули при sinq = ml/D, где m – целое число. Значительная частьэнергии света, прошедшего через щель, локализуется в главном дифракционноммаксимуме, угловая полуширина которого равна l/D. Интенсивность соседнегомаксимума составляет приблизительно 5 % от интенсивности в центре дифракционнойкартины. Этот случай представляет для дифракционной теории оптическихинструментов чисто методический интерес, поскольку, как правило, входныеапертуры имеют вид круглых отверстий. Расчет фраунгоферовой дифракции на кругломотверстии оказывается достаточно громоздким и приводит к бесселевым функциямпервого порядка I1.
Распределениеинтенсивности света при дифракции Фраунгофера на круглом отверстии диаметра Dвыражается формулой
/> (2.3)
/> /> Распределения (2.2) и (2.3) очень похожи друг на друга. Картина дифракции накруглом отверстии имеет вид концентрических колец. Центральное светлое пятноносит название пятна Эйри. Интенсивность в максимуме первого светлого кольцасоставляет приблизительно 2 % от интенсивности в центре пятна Эйри.Распределение (2.3) показано на рис. 2.3.Рисунок 2.3.
ДифракцияФраунгофера на круглом отверстии.
При оценке разрешающейспособности оптических инструментов важно знать размер центральногодифракционного максимума. Угловой радиус пятна Эйри выражается соотношением
/> (2.4)
2.3. Интенсивностьсвета в фокусе линзы.
Как следует из формулы (2.4),линейный размер дифракционного пятна пропорционален 1/D, аего площадь в фокальной плоскости ~ 1/D2. При этом полный потоксветовой энергии, проходящий через линзу, изменяется пропорционально ее площади(~ D2).Таким образом, интенсивность света в фокусе (в центре пятна Эйри) изменяетсяпрямо пропорционально D4. Этот результат можнострого получить методом зон Френеля. Линзу следует рассматривать, как зоннуюпластинку, которая компенсирует фазовые сдвиги световых колебаний в фокусе какот различных зон Френеля так и от разных элементов одной и той же зоны. Наязыке векторных диаграмм это означает, что линза «выпрямляет» цепочкуэлементарных векторов, образующих векторную диаграмму для кольцевых зонФренеля.
Число зонФренеля, укладывающихся на линзе, в случае, когда точка наблюдения совпадает сглавным фокусом, равно m = D2/4lF. Вклад одной зоны равен pA0,где А0 — амплитуда волны от источника. Пренебрегая закручиваниемспирали, то есть считая вклады всех зон одинаковыми, получим А = mpA0. Следовательно, выигрыш от фокусировки
/> (2.5)
где S – площадь линзы. Из-за малогозначения оптической длины волны отношение I / I0оказывается весьмазначительным. Например, для линзы диаметром D = 5 см и фокусным расстоянием F =50 см выигрыш от фокусировки оказывается порядка 108.
2.4. Дифракционный предел разрешения оптических инструментов
2.4.1. Разрешающая способность телескопа.
Под разрешающей способностьютелескопа принято понимать разрешающую способность его объектива. Телескопыпредназначены для наблюдения удаленных объектов (звезд). Пусть с помощьютелескопа, объектив которого имеет диаметр D, рассматриваются две близкиезвезды, находящиеся на угловом расстоянии. Изображение каждой звезды вфокальной плоскости объектива имеет линейный размер (радиус пятна Эйри), равныйlF/D. Приэтом центры изображений находятся на расстоянии y*F. Как и в случае спектральныхприборов, при определении дифракционного предела разрешения используетсяусловный критерий Рэлея (рис. 2.4). Разница состоит в том, что в случаеспектральных приборов речь идет о разрешении двух близких спектральных линий поих изображениям, а в случае оптических инструментов – о разрешении двух близкихточек объекта.
/> /> Согласно критерию Рэлея, две близкие точки объекта считаютсяразрешенными, если расстояние между центрами дифракционных изображений равнорадиусу пятна Эйри.Рисунок2.4.
Пределразрешения изображений двух близких звезд по Рэлею.
Применениекритерия Рзлея к объективу телескопа дает для дифракционного пределаразрешения:
/> (2.6)
Следуетотметить, что в центре кривой суммарного распределения интенсивности (рис. 2.4)имеется провал порядка 20 % и поэтому критерий Рэлея лишь приблизительносоответствует возможностям визуального наблюдения. Опытный наблюдатель уверенноможет разрешать две близкие точки объекта, находящиеся на расстоянии внесколько раз меньшем ymin.
Числоваяоценка дает для объектива диаметром D = 10 см, ymin = 6,7*10-6 рад = 1,3”, адля D=102 см, ymin = 0,13”.
Этот пример показывает,насколько важны большие астрономические инструменты. Крупнейший в миредействующий телескоп-рефлектор имеет диаметр зеркала D = 6 м. Теоретическоезначение предела разрешения такого телескопа ymin =0,023”. Для второго по величине телескопа-рефлектора обсерватории Маунт-Паломарс D = 5 м теоретическое значение ymin =0,028”. Однако, нестационарные процессы в атмосфере позволяют приблизиться ктеоретическому значению предела разрешения таких гигантских телескопов лишь вте редкие кратковременные периоды наблюдений. Большие телескопы строятсяглавным образом для увеличения светового потока, поступающего в объектив отдалеких небесных объектов.
2.4.2. Разрешающая способность глаза.
/> /> Все сказанное выше о пределе разрешения объектива телескопаотносится и к глазу. На сетчатке глаза при рассмотрении удаленных объектовформируется дифракционное изображение. Поэтому формула (2.6) применима и кглазу, если под D понимать диаметр зрачка d3p. Полагая d3p = 3 мм, l = 550 нм, найдем для предельного разрешениячеловеческого глаза:Известно,что сетчатка глаза состоит из светочувствительных рецепторов конечного размера.Полученная выше оценка находится в очень хорошем согласии с физиологическойоценкой разрешающей способности глаза. Оказывается, что размер дифракционногопятна на сетчатке глаза приблизительно равен размеру светочувствительныхрецепторов. В этом можно усмотреть мудрость Природы, которая в процессеэволюции стремится реализовать оптимальные свойства живых организмов.
2.4.3. Предел разрешения микроскопа
В случаемикроскопа объект располагается вблизи переднего фокуса объектива. Интереспредставляет линейный размер деталей объекта, разрешаемых с помощью микроскопа.Изображение, даваемое объективом, располагается на достаточно большомрасстоянии L>>F. У стандартных микроскопов L = 16 см, а фокусноерасстояние объектива – несколько миллиметров. Объект может располагаться всреде, показатель преломления которой n > 1 (иммерсия).
Радиус пятнаЭйри в плоскости изображения равен 1.22lL/D, где D – диаметробъектива. Следовательно, микроскоп позволяет разрешить две близкие точкиобъекта, находящиеся на расстоянии l, если центры их дифракционных изображенийокажутся на расстоянии l', превышающим радиус дифракционного пятна (критерийРэлея).
/> (2.7)
/> /> Здесь u’= D/2L – угол, под которым виден радиус объектива изплоскости изображения (рис. 2.5).Рисунок2.5.
Кусловию синусов Аббе.
Чтобыперейти к линейным размерам самого объекта, следует воспользоваться так называемымусловием синусов Аббе, которое выполняется для любого объектива микроскопа:
/> (2.8)
При написании последнего выражения принятаво внимание малость угла u'. Отсюда для предела разрешения объектива микроскопаполучаем выражение:
/> (2.9)
Угол 2u называютаппретурным углом, а произведение n*sinu – числовой апертурой. У хорошихобъективов угол u близок к теоретическому пределу u=p/2. Полагая для примерапоказатель преломления иммерсионной жидкости n = 1,5, получим оценку: lmin=0,4l.
2.4.4. Замечание о нормальном увеличении оптических инструментов.
Как втелескопе, так и в микроскопе изображение, полученное с помощью объектива,рассматривается глазом через окуляр. Для того, чтобы реализовать полностьюразрешающую способность объектива система окуляр–глаз не должна вноситьдополнительных дифракционных искажений. Это достигается целесообразным выборомувеличения оптического инструмента (телескопа или микроскопа). При заданномобъективе задача сводится к подбору окуляра. На основании общих соображенийволновой теории можно сформулировать следующее условие, при котором будетполностью реализована разрешающая способность объектива: диаметр пучка лучей,выходящих из окуляра не должен превышать диаметра зрачка глаза d3p.Таким образом, окуляр оптического инструмента должен быть достаточнокороткофокусным.
/> /> Поясним это утверждение на примере телескопа. На рис. 2.6изображен телескопический ход лучей.Рисунок2.6.
Телескопическийход лучей
/> /> /> /> /> /> /> /> Две близкие звезды, находящиеся на угловом расстоянии ymin в фокальной плоскости объектива изображаются дифракционнымипятнами, центры которых располагаются на расстоянии yminF1. Пройдя через окуляр, лучи попадут в глаз под углом yminF1/F2. Этот угол должен быть разрешимым дляглаза, зрачок которого имеет диаметр d3p. Таким образом:Здесь g = F1/F2 – угловое увеличение телескопа.Отношение D/g имеет смысл диаметра пучка, выходящего из окуляра. Знак равенства в(4.10) соответствует случаю нормального величения.
/> (2.11)
В случае нормального увеличения диаметр пучка лучей, выходящих изокуляра, равен диаметру зрачка d3p. При g>gN в системе телескоп–глаз полностью используется разрешающаяспособность объектива. Аналогичным образом решается вопрос об увеличениимикроскопа. Под увеличением микроскопа понимают отношение углового размераобъекта, наблюдаемого через микроскоп, к угловому размеру самого объекта,наблюдаемого невооруженным глазом на расстоянии наилучшего зрения d, котороедля нормального глаза полагается равным 25 см. Расчет нормального увеличениямикроскопа приводит к выражению:
/> (2.12)
Вывод формулы (2.12) является полезным упражнением для студентов.Как и в случае телескопа, нормальное увеличение микроскопа есть наименьшееувеличение, при котором может быть полностью использована разрешающаяспособность объектива. Следует подчеркнуть, что применение увеличений большенормального не может выявить новые детали объекта. Однако, по причинамфизиологического характера при работе на пределе разрешения инструментацелесообразно иногда выбирать увеличение, превосходящее нормальное в 2–3 раза.
Заключение
Практическое значение оптики иеё влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Изобретение телескопаи спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвелореволюцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всемотраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза.Без неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино,телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы, связанные созрением.
Область явлений, изучаемаяфизической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образомсвязаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методыисследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, чтооптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в оченьмногих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений.Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия — теория относительности и теория квантов — зародились и в значительной степениразвились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новыеширочайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различныхотраслях науки и техники.
Источники:
www.markbook.chat.ru
www.college.ru
som.fio.ru
www.ronl.ru
Люди издревле пытались понять, как устроен окружающий их мир. Проводили исследования, заглядывали внутрь живых существ и делали выводы. Так копился теоретический материал, который стал основой для многих наук.
Методы, которые они использовали, сводились в основном к наблюдению и эксперименту. Однако довольно быстро стало очевидно, что копилка знаний останется наполненной лишь наполовину, если не придумать какие-нибудь более сложные, технически совершенные устройства. Такие, которые позволят заглядывать внутрь, вскрывать глубинные механизмы и рассматривать особенности устройства разных предметов и живых существ.
К основным можно отнести следующие:
Большая часть из них требует вмешательства новых технических устройств, которые бы позволили получать картинку в увеличенном многократно размере. То есть, проще говоря, следует использовать разные увеличительные приборы. Именно поэтому необходимость их конструирования была очевидна.
Ведь только так люди смогли понять, как происходят процессы жизнедеятельности таких крошечных существ, как простейшие и бактерии, микроскопические грибы, лишайники и прочие живые организмы.
Среди разнообразия технических конструкций увеличительные приборы занимают особое место. Ведь без них дойти до истины и доказать ту или иную теорию сложно, особенно когда речь идет о микромире.
Современные технологии предлагают следующие разновидности подобных устройств:
1. Лупы. Строение увеличительных приборов такого типа достаточно простое, поэтому среди аналоговых по действию они появились первыми.
2. Микроскопы. Сегодня можно выделить несколько разновидностей:
Каждый находит широкое применение не только в биологических науках, но и в химии, физике, космических исследованиях, генной инженерии, молекулярной генетике и так далее.
Конечно, такое шикарное разнообразие и совершенство подобных устройств пришло не сразу. Наиболее сложные конструкции, позволяющие вмешиваться даже в волновые и корпускулярные процессы, появились только в XX-XXI веках.
История же появления и развития приборов для увеличения уходит своими корнями в глубину веков. Так, если говорить о лупах, то раскопки показали, что первые подобные устройства имелись у египтян задолго до нашей эры. Они были выполнены из горного хрусталя и так искусно заточены, что давали увеличение до 1500 раз!
Позже стали изготавливать стеклянные линзы и через них рассматривать интересующие микроскопические предметы. Так продолжалось до XVI века. Затем великий исследователь Галилео Галилей сконструировал свою первую трубу, которая при раскладывании напоминала микроскоп и давала увеличение практически в 300 раз. Это и был прародитель современного микроскопа.
Еще позже, во второй половине XVII века, ученый Торе мастерил небольшие округлые лупы. Они позволяли рассматривать уже при 1500-кратном увеличении. Большим прорывом в развитии микроскопии стали приборы, сконструированные Антони ван Левенгуком. Он выпускал партии микроскопов, которые давали достаточное увеличение, чтобы можно было рассмотреть клеточное строение и мир микроорганизмов.
С тех самых пор увеличительные приборы (лупа, микроскоп) стали неотъемлемой частью практически во всех видах исследований, как в биологических, так и в других науках. Современное же разнообразие технических устройств обязано своим существованием людям с такими именами, как:
Из чего же состоят эти устройства и как работают? Увеличительные приборы - лупа, микроскоп - в своей основе имеют, в принципе, одинаковое строение. Действие основано на применении специальных стекол - линз.
Увеличительный прибор лупа представляет собой выпуклую линзу, которая обрамлена в специальную наружную рамку - оправу. Сама линза - это специальное оптическое стекло, имеющее двустороннюю выпуклость. Оправа может быть любая:
Такие увеличительные приборы, как лупы, позволяют получать изображения в 25-кратном размере. Конечно, существуют разные по данному показателю устройства. Какие-то лупы дают увеличение в 2 раза, а более модернизированные и совершенные - даже в 30.
Основное место использования лупы - урок биологии. Увеличительные приборы подобного плана позволяют рассматривать мелкие структуры строения растений и животных. Использоваться могут разные варианты изделий.
Также очень распространены комбинированные варианты между перечисленными: штативная с подсветкой, карманная на шнурке или с ручкой и так далее.
Какое устройство имеет этот продмет? Сегодня на школьных занятиях используются только такие увеличительные приборы: лупа, микроскоп. Со строением, работой и разновидностями первого устройства мы уже разобрались. Однако для изучения более глубинных процессов, протекающих в клетках, рассматривания бактериального состава воды и так далее, увеличительные способности лупы оказываются явно недостаточными.
В этом случае основным рабочим инструментом становится микроскоп, чаще всего обычный, световой или оптический. Рассмотрим, какие структурные части входят в его состав.
Очевидно, что строение микроскопа не слишком сложно. Однако это характерно только для оптических моделей. Среднее увеличение, которое способен давать световой микроскоп, - не более 300 раз.
Если же говорить о современных конструкциях, дающих увеличение в тысячи раз, то их структура намного сложнее.
Существуют разные типы микроскопов. Самый простой из них, световой или оптический, составляет основную массу конструкций для использования школьниками. Лупа и микроскоп - самые приемлемые увеличительные приборы. 6 класс (биология - это школьный предмет, на уроках по которому используются эти объекты) подразумевает знакомство с устройством, принципами работы данных приборов.
Однако школьникам следует дать понятие и о тех видах микроскопов, с которыми работают ученые, физики, химики, биологи, астрономы и так далее. Таких можно выделить 5 основных, они были перечислены выше. Лазерные и электронные устройства позволяют получать изображения, в сотни тысяч раз превосходящие истинные размеры. Это позволяет заглянуть внутрь даже самых мелких частиц и сделать массу открытий в разных областях науки и техники.
Урок "Устройство увеличительных приборов" - не единственный в школьном курсе изучения, который касается работы с подобными устройствами. Наряду со строением и правилами пользования, детям следует заложить основы знаний о приготовлении микропрепаратов для рассмотрения.
Для этого используют следующие элементы:
Если необходимо рассмотреть, например, кожицу лука, то следует аккуратно отпрепарировать ее иглой и в виде тонкой пленочки положить на предметное стекло. Помещать нужно в заранее сформированную при помощи пипетки каплю воды. Сверху препарат накрывается тонким покровным стеклышком и крепко прижимается. Излишки жидкости удаляются прикосновением фильтровальной бумаги. Нужно тщательно следить, чтобы под покровным стеклом не оказалось пузырьков воздуха, иначе в микроскоп будут видны только они.
Помимо изготовления "живых" препаратов, в школах часто используются готовые, фиксированные. Они окрашены и более информативно насыщенные, так как изготовлены по особым технологиям с высокой долей естественности. По ним можно освоить микростроение всех известных элементов строения как животных, так и растений. Кроме того, фиксированные препараты дают возможность изучить бактерии, микроскопические грибы, простейших прочих мелких существ.
Как мы уже отмечали выше, в школе обязательно изучаются увеличительные приборы. 6 класс - это начало в освоении принципа работы, основ строения приборов.
Также именно в этот период закладываются умения самостоятельно устанавливать препарат на предметный столик, улавливать свет и рассматривать изображение, добиваясь высокой четкости в настраивании. На последующих ступенях обучения дети уже уверенно используют микроскопы и лупы для самых разных исследований, так как полностью владеют техникой использования устройств.
Таких на самом деле достаточно много. Каждый учитель сам решает, какие виды работ следует проводить. Ведь все зависит от количества оборудования и его работоспособности. Самыми распространенными лабораторными исследованиями, требующими использования увеличительных приборов, являются следующие:
fb.ru
 |
| Сосудистая оболочка |
| Радужная оболочка |
В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром около 2,5 см, которое называют глазным яблоком (рис.5). Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть — роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против роговицы сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы камерой с прозрачной водянистой массой. В радужной оболочке имеется круглое отверстие, называемое зрачком, диаметр которого может изменяться. Таким образом, радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещении зрачок уменьшается, а при слабом освещении — увеличивается. Внутри глазного яблока за радужной оболочкой расположен хрусталик, который представляет собой двояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около 1,4. Хрусталик окаймляет кольцевая мышца, которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическую силу. Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку, на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталиком заполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение. Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однако деятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях. Когда кольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке. Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряжения предметы, расположенные не ближе 6 метра от глаза. Изображение более близких предметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для получения отчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всё сильнее до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затем удерживает хрусталик в сжатом состоянии. Таким образом, «наводка на фокус» глаза человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глаза создавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстояниях от него, называют аккомодацией (от латинского «аккомодацио» – приспособление). При рассматривании очень далёких предметов в глаз попадают параллельные лучи. В этом случае говорят, что глаз аккомодирован на бесконечность. Аккомодация глаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глаз устает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается. Глаза человека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способность глаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркости наблюдаемых объектов называют адаптацией. 
Гиперопия, или дальнозоркость. Если расстояние между сетчатой оболочкой и хрусталиком ненормально мало или если хрусталик ненормально тонок и сплющен, так что фокусное расстояние его ненормально велико, то изображение близких предметов оказывается за сетчатой оболочкой (рис.6). Следовательно, близкие предметы не могут быть видимы без напряжения глаза. Если вы только дальнозорки и не имеете никаких других недостатков зрения, то вы легко прочтёте 9-ю строчку таблицы Снеллена, но ваша ближняя точка может оказаться дальше своего нормального положения. Для исправления гиперопии следует уменьшать расстояние изображения для близких предметов. Это требует применения собирательной (положительной) линзы соответствующей оптической силы Астигматизм. Обычно поверхность роговой оболочки – несколько выступающей передней части глазного яблока – и поверхность хрусталика являются частями почти идеальной сфер. Однако нередко кривизна одной или обеих этих поверхностей оказывается большей в одной плоскости, чем в какой – либо другой. Этот дефект, в результате которого получается нечёткое зрение, называется астигматизмом. Астигматизм может причинить головные боли и создавать расплывчатость, в особенности, если читать длительное время подряд. Астигматизм исправляется цилиндрической линзой вместо сферической. Отметьте, в частности, что направление кривизны линзы очков должно совпадать с соответствующей кривизной глазного хрусталика. Следовательно, если астигматическая линза меняет своё положение относительно глаза, необходимо принять меры, чтобы вернуть её на место, так как совершенно необходимо, чтобы соответствующие кривизны совпадали. Оптические приборы, вооружающие глаз Очки Кто изобрел увеличительное стекло? Если оставить в стороне отрывочные данные, которые восходят еще к античным временам, то увеличительные стекла стали объектом научного рассмотрения уже в эпоху раннего средневековья. Еще Альхазен исследовал увеличение, создаваемое стеклянной сферой, рассматривая его как оптическую иллюзию. Позже появились очки, которые не могли быть результатом теоретического рассмотрения, ибо нельзя себе представить, чтобы при средневековой теории зрения можно было даже прийти к мысли о возможности исправления его дефектов. Открытие это было, вероятно, случайным, и вполне вероятно допустить, что его автором является кто-то из изготовителей стекла. То, что это открытие было сделано ремесленниками, подтверждается и народным происхождением слова "lente" (линза) от слова "lenticchia" (чечевица), которое ученые XVI века решили несколько облагородить, латинизировав его. Впервые линзы для целей науки применил Бэкон. Известно, что он использовал их во многих опытах и даже поднес одну папе Клименту IV, прося его попробовать применить ее. Бэкон избегает специального названия и говорит о «приспособлении». Даже в XVI веке Иероним Кардан, всегда туманно изъясняющийся латинист, называет линзы "orbem e vitro" – выражение, которое его французский переводчик то ли не понял, то ли не смог правильно выразить по-французски и прямо перевел "rotondite faite du verre" (округлость, сделанная из стекла). В течение трех веков после Бэкона в трудах ученых нельзя было отыскать упоминания об «очках для старых», как назывались двояковыпуклые стекла, или «очках для молодых» – двояковогнутых стеклах для коррекции близорукости. Двояковогнутые стекла появились, очевидно, позже двояковыпуклых и тоже, видимо, случайно были изобретены мастерами-стекольщиками или явились результатом элементарного рассуждения: если выпуклые стекла помогают зрению стариков, то вогнутые должны, наоборот, помогать зрению молодых. К середине XIV века очки уже получили достаточно широкое распространение – на фреске 1352 г. изображен монах в очках. В 1743 г. французский естествоиспытатель Бюффон Жорж Луи Леклерк предложил окклюзию (лат. occlusio – запирание, скрывание) здорового глаза с целью исправления косоглазия и восстановления остроты зрения больного глаза. Этим методом пользуются и сейчас. Хотя глаз и не представляет собой тонкую линзу, в нем можно все же найти точку, через которую лучи проходят практически без преломления, т.е. точку, играющую роль оптического центра. Оптический центр глаза находится внутри хрусталика вблизи задней поверхности его. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза 15 мм. Зная положение оптического центра, можно легко построить изображение какого-либо предмета на сетчатой оболочке глаза. Изображение всегда действительное, уменьшенное и обратное. Угол φ, под которым виден предмет S1S2 из оптического центра О, называется углом зрения. Сетчатая оболочка имеет сложное строение и состоит из отдельных светочувствительных элементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг к другу, что их изображение на сетчатке попадают в один и тот же элемент, воспринимаются глазом, как одна точка. Минимальный угол зрения, под которым две светящихся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазом ещё раздельно , составляет приблизительно одну минуту. Глаз плохо распознает детали предмета, которые он видит под углом менее 1". Это угол, под которым виден отрезок, длина которого 1 см на расстоянии 34 см от глаза. При плохом освещении (в сумерках) минимальный угол разрешения повышается и может дойти до 1є.  |
 | |||
 | |||
|
Приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения. Для близорукого глаза это расстояние несколько меньше, поэтому близорукие люди, помещая рассматриваемый предмет ближе к глазу, чем люди с нормальным зрением или дальнозоркие, видят его под большим углом зрения и могут лучше различать мелкие детали. Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По своему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие большие группы. 1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп). Эти приборы как бы «увеличивают» рассматриваемые предметы. 2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, бинокль, телескоп и т.п.). Эти приборы как бы «приближают» рассматриваемые предметы. Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей. Отношение длины b на сетчатке в случае вооруженного глаза b' к длине изображения для невооруженного глаза b (рис.11,б) называется увеличением оптического прибора.
С помощью рис. 11,б легко видеть, что увеличение N равно также отношению угла зрения φ' при рассматривании предмета через инструмент к углу зрения φ для невооруженного глаза, ибо φ' и φ невелики. Итак, N = b' / b = φ' / φ , где N – увеличение предмета; b' – длина изображения на сетчатке для вооруженного глаза; b - длина изображения на сетчатке для невооруженного глаза; φ' – угол зрения при рассматривании предмета через оптический инструмент; φ – угол зрения при рассматривании предмета невооруженным глазом.| Рис. 12 Угловое увеличение лупы. |
 |
, где 2γ – угол зрения, при наблюдении через лупу; 2β - угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом; F – расстояние от предмета до лупы; Z – половина длины рассматриваемого предмета. Принимая во внимание, что через лупу рассматривают обычно мелкие детали и поэтому углы γ и β малы, можно тангенсы заменить углами. Таким образом, получится следующее выражение для увеличения лупы = 
= 
. Следовательно, увеличение лупы пропорционально 1 / F , то есть её оптической силе. | Рис. 13. Схема простейшего микроскопа. |
 | |||||
 | |||||
Обозначим линейное увеличение, даваемое объективом, через n1, а окуляром через n2, это значит, что = n1 и = n2 , где P'Q' – увеличенное действительное изображение предмета; PQ – размер предмета; P''Q'' - увеличенное мнимое изображение предмета; n1 – линейное увеличение объектива; n2 – линейное увеличение окуляра. Перемножив эти выражения, получим = n1 n2 , где PQ – размер предмета; P''Q'' - увеличенное мнимое изображение предмета; n1 – линейное увеличение объектива; n2 – линейное увеличение окуляра. Отсюда видно, что увеличение микроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом и окуляром в отдельности. Поэтому возможно построить инструменты, дающие очень большие увеличения – до 1000 и даже больше. В хороших микроскопах объектив и окуляр - сложные. Окуляр обычно состоит из двух линз объектив же гораздо сложнее. Желание получить большие увеличения заставляют употреблять короткофокусные линзы с очень большой оптической силой. Рассматриваемый объект ставится очень близко от объектива и дает широкий пучок лучей, заполняющий всю поверхность первой линзы. Таким образом, создаются очень невыгодные условия для получения резкого изображения: толстые линзы и нецентральные лучи. Поэтому для исправления всевозможных недостатков приходится прибегать к комбинациям из многих линз различных сортов стекла. В современных микроскопах теоретический предел уже почти достигнут. Видеть в микроскоп можно и очень малые объекты, но их изображения представляются в виде маленьких пятнышек, не имеющих никакого сходства с объектом. При рассматривании таких маленьких частиц пользуются так называемым ультрамикроскопом, который представляет собой обычный микроскоп с конденсором, дающим возможность интенсивно освещать рассматриваемый объект сбоку, перпендикулярно оси микроскопа. С помощью ультрамикроскопа удаётся обнаружить частицы, размер которых не превышает миллимикронов.
| Рис. 15. Угловое увеличение зрительной трубы. |
Действие трубы, так же как и лупы, сводится к увеличению угла зрения. При помощи трубы обычно рассматривают предметы, находящиеся на расстояниях, во много раз превышающих её длину. Поэтому угол зрения, под которым предмет виден без трубы, можно принять угол 2β , образованный лучами, идущими от краев предмета через оптический центр объектива. Изображение видно под углом 2γ и лежит почти в самом фокусе F объектива и в фокусе F1 окуляра. Рассматривая два прямоугольных треугольника с общим катетом Z' , можем написать: 
, где 2γ - угол, под которым видно изображение предмета; 2β - угол зрения, под которым виден предмет невооруженным глазом; F - Фокус объектива; F1 - фокус окуляра; Z' - половина длины рассматриваемого предмета. Углы β и γ - не велики, поэтому можно с достаточным приближением заменить tgβ и tgγ углами и тогда увеличение трубы = EQ 
, где 2γ - угол, под которым видно изображение предмета; 2β - угол зрения, под которым виден предмет невооруженным глазом; F - Фокус объектива; F1 - фокус окуляра. Угловое увеличение трубы определяется отношением фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Чтобы получить большое увеличение , надо брать длиннофокусный объектив и короткофокусный окуляр. 
Рисунок 14 Телескопический ход лучей. Светопроекционная техника | Рис. 16. Схема проекционного устройства. |
 |
объективе О, который уже направляет их на экран Э, где получается изображение диапозитива Д. Сам диапозитив помещается между главным фокусом объектива и точкой, находящейся на расстоянии 2F от объектива. Резкость изображения на экране достигается перемещением объектива, которое часто называется наводкой на фокус.
| Рис. 17. Спектроскоп. |
 |
В трубе А, называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимо исследовать. Щель располагается в фокальной плоскости коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму, световые лучи направляются в трубу В, через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначен для измерений, то на изображение спектра с помощью специального устройства накладывается изображение шкалы с делениями, что позволяет точно установить положение цветовых линий в спектре. При исследовании спектра часто бывает целесообразней сфотографировать его, а затем изучать с помощью микроскопа. Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом. Схема спектрографа показана на рис. 18. Спектр излучения с помощью линзы Л2 фокусируется на матовое стекло АВ, которое при фотографировании заменяют фотопластинкой.
| Рис. 18. Спектрограф. |
Фотоаппарат
 |
bukvasha.ru
