Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ И ОПТИЧЕСКОЙ ДЛИНЫ ТРУБЫ МИКРОСКОПА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ И ОПТИЧЕСКОЙ ДЛИНЫ

ТРУБЫ МИКРОСКОПА

Цель работы: определить увеличение микроскопа и оптическую длину его тубуса.

Приборы и принадлежности: микроскоп, осветитель, масштабная линейка, объективная линейка, набор окуляров с разным увеличением.

Теоретическая часть работы

Оптические приборы

Оптические системы, состоящие из линз, призм, зеркал и т. д., смонтированных определенным образом с помощью механических приспособлений, представляют собой оптические приборы. Существует огромное количество различных оптических приборов, применяющихся для решения тех или иных задач практической оптики.

1. Лупа. Её действие можно выяснить из рис. 1. В простейшем случае

Рис. 1. Построение изображения предмета в лупе

она представляет собой короткофокусную собирающую линзу. Предмет АВ, который рассматривается с помощью линзы L, служащей лупой, располагается между линзой и ее фокальной плоскостью F. После прохождения линзы лучи дают мнимое увеличенное изображение, которое глаз Е видит в плоскости А' В'.

Предмет АВ находится практически в фокальной плоскости F. Если пренебречь расстоянием между плоскостью предмета АВ и фокальной плоскостью F, то из подобия треугольников АВС и А'В'С следует, что

, (1)

но А'В'/АВ =N - увеличение даваемое лупой, d - расстояние наилучшего зрения нормального глаза, равное 25 см. Следовательно, увеличение лупы можно найти из выражения:

N=. (2)

Величина f для лупы 1,2-5 см. Следовательно, лупы могут давать увеличения до 20-кратного. Увеличение лупы обозначается цифрой, показывающей кратность увеличения со знаком умножения наверху, например 20^х означает двадцатикратное увеличение.

2. Микроскоп. При рассмотрении очень мелких предметов нужны значительные увеличения, которые не могут быть получены с помощью простой лупы. Для этой цели необходима более сложная оптическая система, которой является микроскоп.

Принципиальная оптическая схема и ход лучей в микроскопе изображены на рис. 2. Короткофокусная линза L₁ служит объективом, а другая короткофокусная линза L₂ - окуляром. Предмет АВ помещается перед объективом на расстоянии, немного большем переднего фокусного расстояния объектива.

Рис. 2. Принципиальная оптическая схема и ход лучей

в оптическом микроскопе

Вследствие этого объектив дает действительное, сильно увеличенное изображение предмета. Увеличение, даваемое объективом, равно

, (3)

где f₁ - переднее фокусное расстояние объектива, - расстояние от объектива до изображения, практически равное расстоянию от объектива до переднего фокуса окуляра. Последнее обычно у окуляра микроскопа очень мало, так что приближенно можно считать равным расстоянию от объектива до окуляра. Величина определяет длину трубы микроскопа, несущею объектив и окуляр. Ее называют тубусом микроскопа. Из формулы (3) следует, что

. (4)

Окуляр L₂ действует как лупа и дает увеличенное мнимое изображение . Увеличение окуляра L₂ равно

, (5)

где - переднее фокусное расстояние окуляра L₂. Из выражения (5) следует, что

. (6)

Полное увеличение микроскопа N определится как отношение А"В"/АВ.

, (7)

Таким образом, увеличение микроскопа тем больше, чем больше длина его тубуса и чем меньше фокусные расстояния объектива и окуляра. Увеличение оптического микроскопа достигает величин около 2000.

Микроскоп может давать не только мнимое изображение, но и действительное. Для этого достаточно несколько выдвинуть окуляр вверх, чтобы его передний фокус F₂,- оказался выше изображения А'В', даваемого объективом. Тогда изображение, даваемое окуляром, будет лежать не ниже объектива, а выше его и будет действительным. Меняя расстояние окуляра от А'В', можно по желанию менять величину получаемого действительного изображения.

Описание экспериментальной установки

Внешний вид и схема устройства микроскопа изображены на рис. 3. Оптическая система микроскопа делится на две части; осветительную и наблюдательную. Осветительная часть состоит из подвижного зеркала 1, служащего для направления лучей от осветителя на рассматриваемый объект, конденсора 2, образующего на объекте сходящийся пучок света; съемного светофильтра 4 и укрепленной на конденсоре апертурной диафрагмы 3, служащей для регулировки освещенности объекта. Наблюдательная часть состоит из объектива 5, окуляра 7 и призмы 6, которая служит для направления вертикальных лучей, прошедших объектив, в наклонный тубус. Объектив представляет собой систему линз, собранных в единой оправе. Передняя линза служит для увеличения, остальные же предназначены для исправления недостатков изображения, создаваемых передней линзой. Окуляр микроскопа обычно состоит из двух линз: верхней - глазной - и нижней - собирающей, необходимой для того, чтобы все лучи, прошедшие через объектив, попали в глазную линзу окуляра. Микроскоп имеет три объектива, дающих различное увеличение, которые закреплены в револьвере 11, и три сменных окуляра.

Механическая система микроскопа состоит из массивного основания 8, тубуса-держателя, коробки с микрометрическим механизмом 9 для перемещения тубуса и предметного столика 10, на котором укреплены пружины, прижимающие препарат к предметному столику.

Рис. 3. Внешний вид и устройство оптического микроскопа

Выполнение работы

Целью данной работы является определение увеличения микроскопа и его оптической длины трубы.

Из формулы (7) следует, что увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива N₁ и увеличения окуляра N₂:

, (8)

здесь - длина тубуса микроскопа, равная

, (9)

где n - показатель преломления, L - оптическая длина, равная расстоянию между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра. Для воздуха n = 1 и длина тубуса совпадает с оптической длиной , т. е. формула (8) перепишется в виде

. (10)

Из этой формулы можно определить оптическую длину трубы микроскопа, исключив фокусные расстояния и , которые неизвестны. Для этого необходимо дважды измерить увеличение микроскопа, изменив длину тубуса на . Увеличение микроскопа при первом измерении (при длине тубуса L) определится формулой (10); при втором (при длине тубуса (L+L)) - формулой (11).

. (11)

Взяв отношение N к N₁, получим

. (12)

Зная N и N₁, можно определить оптическую длину трубы микроскопа:

. (13)

Для нахождения увеличения микроскопа можно воспользоваться методом сравнения двух линеек. Пусть - цена деления одной линейки, -цена деления второй линейки. Если совместить эти линейки, одну из которых рассматривать в микроскоп, а вторую - невооруженным глазом, то n₁ делений одной линейки покроются n₂ делениями второй. Тогда можно записать равенство

. (14)

А формула для определения увеличения микроскопа будет иметь вид

. (15)

Определение увеличения микроскопа

Для определения увеличения микроскопа нужно:

1. Взять "объективную" шкалу, положить ее на столик микроскопа и с помощью микрометрического винта добиться отчетливого видения не менее 2-3-х штрихов в поле зрения микроскопа.

2. Включив выпрямитель, осветить масштабную линейку, находящуюся на расстоянии 25 см от глаза.

3. Для совмещения двух шкал используют зеркальную насадку, представляющую собой зеркальце, укрепленное под углом 45° к оси микроскопа, в середине которого есть узкая прозрачная полоска, освобожденная от амальгамы. Поместить зеркальную насадку на окуляр микроскопа; при этом штрихи "объективной" линейки будут видны в прорезь насадки, а штрихи масштабной линейки отразятся в ее зеркальной части. Изображения обеих шкал окажутся в одной плоскости.

4. Добиться (путем перемещения объективной шкалы на столике микроскопа) совмещения обеих шкал и взаимной параллельности их линий. Подсчитать, сколько делений масштабной линейки n₂ находится сначала в одном, затем в двух и трех делениях объективной линейки n₁ .

5. Зная цены делений линеек ( - масштабная линейка; - объективная линейка), а также n₂ и n₁, по формуле (15) определить увеличение микроскопа.

6. Определить среднюю величину увеличения микроскопа и посчитать ошибки измерений.

Определение оптической длины трубы микроскопа

1. Выдвинуть окуляр на 2-3 см, закрепить его и линейкой измерить увеличение оптической длины трубы при выдвижении окуляра .

2. Тем же способом, что и в 1 части работы, определить увеличение микроскопа N₁, которое будет отлично от N.

3. По формуле (13), зная и средние значения увеличения микроскопа в первом N и во втором случаях N₁, определить оптическую длину трубы микроскопа. L.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем состоит физический смысл понятия оптической силы линзы?

3. Какое изображение дает лупа: действительное или мнимое? Как определяется ее увеличение?

4. От каких параметров микроскопа зависит его увеличение? Каков порядок величины фокусных расстояний объектива и окуляра?

5. Объясните ход лучей в микроскопе.

6. Что называется оптической длиной микроскопа?

7. Вывести формулу увеличения микроскопа из построения хода лучей в микроскопе.

КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ЗАДАНИЯ

Для каждого вопроса найти правильный ответ (слева или справа) в данной ниже таблице.

Вопросы

1. Что такое лупа?

2. Как располагается предмет при рассматривании его через лупу?

3. По какой формуле определяется линейное увеличение, даваемое лупой?

4. Какая линза взята в микроскопе в качестве объектива?

5. Какая линза взята в микроскопе в качестве окуляра?

6. Как расположен предмет, рассматриваемый в микроскоп, по отношений к объективу?

7. По какой формуле подсчитывается увеличение микроскопа?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландсберг, Г. С. Оптика / Г. С. Ландсберг. - М. : Наука, 1976. - 927 с.

2. Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике/ под редакцией Гершензона Е. М. и Мансурова А. Н. - М. : Академия, 2004. - 461 с.