Под линейным увеличением микроскопа понимают

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
(оптика)
Челябинск 2007
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроскопа и его применение в качестве измерительного
инструмента.
ОБОРУДОВАНИЕ: микроскоп, объект - микрометр, стеклянная пластинка,
микрометр.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
1. Ход лучей в микроскопе.
Ход лучей в микроскопе представлен схематично на рис.1.
Ок
F
B1
A1
Об
f
A
B
B2
A2
Рис.1. Схема хода лучей в микроскопе
Предмет АВ располагают на предметном столике под объективом на расстоянии, немного большем главного фокусного расстояния объектива f. Поэтому объектив (Об) дает увеличенное, обратное и действительное
изображение A1B1 , по-
лученное с помощью объектива, находится около фокальной плоскости на расстоянии, несколько меньшем, чем главный фокус окуляра (F). Таким образом,
окуляр играет роль лупы, дающей увеличенное, прямое (по отношению к A1B1 ) и
мнимое изображение A 2 B 2 . Обычное изображение A 2 B 2 устанавливается наблюдателем на расстоянии ясного зрения его глаз (d = 25см).
2. Линейное увеличение микроскопа.
Под линейным увеличением микроскопа понимают отношение величины изображения к истинному размеру объекта (рис.1.)
 
 d
A 2B 2

AB
f F
(1)
где  - оптическая длина микроскопа (расстояние между задним фокусом и передним фокусом окуляра) Однако, пользуются формулой (1) редко. Она служит лишь
для грубой оценки увеличения. Обычно сравнивают величины изображения какого-либо предмета. При этом предмет должен быть помещен на том же расстоянии
от глаза, как и сравниваемое изображение. Для удобства используется так называемый объектный микрометр - стеклянную пластинку с нанесенной на ней
шкалой с делениями через 0,01мм.
Следует иметь в виду, что увеличение микроскопа реализуется в направлении,
перпендикулярном оптической оси. "Глубина" изображения очень мала. При этом
чем "сильнее" объектив, тем меньше "глубина".
Поэтому важно, чтобы исследуемая поверхность предмета находилась в горизонтальной плоскости (если оптическая ось вертикальна).
Таким образом, в поле зрения наблюдателя четким оказывается лишь изображение очень тонкого плоского слоя предмета.
3. Устройство микроскопа, назначение его основных частей.
Простой микроскоп состоит из оптической и механической частей.
Оптическая часть содержит:
1) Осветительное приспособление, которое включает источник света (внешний
или автономный) и конденсор. Назначение конденсора в том, чтобы концентрировать проходящий через него свет в узкий пучок, сходящийся на объекте. Для наиболее отчетливого изображения необходимо, чтобы объект находился в фокусе
этого пучка, поэтому конденсор может перемещаться относительно объекта;
2) Объектив - важнейшая часть микроскопа - представляет собой систему линз,
собранную в одной оправе. Ближайшая к объекту линза (передняя) называется
фронтальной. Это - единственная линза объектива, которая производит увеличение. Остальные служат для исправления недостатков изображения и называются
корригирующими;
3) Окуляр представляет собой устройство, состоящее обычно из двух линз.
Верхняя (гладкая) и нижняя (собирательная) линзы отстоят друг от друга на расстоянии, равном полусумме их фокусных расстояний. Обе линзы заключены в короткую цилиндрическую трубку. Окуляр вставляется в верхнее отверстие тубуса.
Некоторые микроскопы снабжены бинокулярной насадкой, в которой имеется система преломляющих призм для наблюдения одновременно двумя глазами
через два окуляра.
Микроскоп смонтирован на штативе (подразделяющегося в свою очередь на
основание, колонку и предметный столик). Штатив имеет массивное основание
для необходимой устойчивости. Колонка, в простых моделях укрепленная вертикально, может в сложных моделях наклоняться для более удобного наблюдения.
Предметный столик (квадратной или круглой формы) служит для поддержания
препарата и имеет на верхней плоскости приспособления, фиксирующие препарат
для предохранения его от перемещения во время наблюдения. Для регулировки
освещенности объекта служит переменная диафрагма, укрепленная непосредственно под столиком или на конденсоре. Диафрагмы бывают двух родов: револьверные и ирисовые. Более простые - револьверные - состоят из диска, в котором
просверлен ряд отверстий различного диаметра; поворотом диска эти отверстия
можно установить против отверстия в столике. Ирисовая диафрагма состоит из
стальных пластинок особой формы, образующих круглое отверстие, диаметр которого можно плавно изменить, поворачивая пластинки при помощи рычажка.
Тубус связан с колонкой с помощью салазок и перемещается при вращении
кремальерного винта. Более медленное перемещение тубуса (для точной фокусировки объекта) достигают вторым микрометрическим винтом. Нижнее отверстие
тубуса имеет нарезку для привертывания объектива или револьвера - особого
держателя, несущего на себе от двух до четырех объективов и позволяющего быстро их менять.
4. Законы преломления.
При прохождении светом через плоскую границу двух прозрачных веществ с
разными оптическими плоскостями падающий луч делится на два луча: отраженный АО и преломленный ОД.
При этом: (см. рис.2.)
1. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью
NN, восстановленной к поверхности раздела в точке падения. Угол отражения i1
числено равен углу падения i1\.
2. Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью
NN. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина
постоянная для данных двух сред
sin i1
 n 21
sin i 2
A
1
(2)
1I
B
N
n1
Среда 1
O
n2
2
Среда 2
D
Рис.2. Преломление лучей на границе различных сред
В соответствии с волновой теорией имеет место соотношение
n 21 
V1
V2
(3)
где V1 - скорость света в 1-ой среде, V2 - скорость во второй среде. Если одна
из сред (например 1-ая) - пустота, то показатель преломления второй среды относительно второй среды называют абсолютным показателем преломления данного вещества
n2 
здесь C  3  1 0 8 m
В общем случае n 
sin i1 C

sin i 2 V
(4)
c - скорость света в пустоте.
C
, т.е. абсолютный показатель преломления, указывает, во
V
сколько раз скорость света в данной среде меньше, чем в пустоте. Показатель
преломления среды зависит от ее свойств и длины световой волны. Скорость света в данной среде всегда меньше, чем в вакууме, поэтому всегда n >1. Для воздуха
n  1.
Показатели преломления определяются различными методами. В данной работе
для этого используется микроскоп.
5. Ход лучей в плоскопараллельной пластинке.
Рассмотрим рис.3
1
i1
2
h
C
0
i1
B
стекло
i2
i2
H
воздух
n
Рис.3. Ход лучей в прозрачной пластинке.
Пусть лучи 1 и 2 падают в точку А. Луч 2 проходит через пластинку, не преломляясь. Луч 1 преломляется и при выходе образует угол i1  угла i 2 .
Согласно (4)
sin i1
 n 21
sin i 2
где n - показатель преломления. Наблюдатель будет видеть (сверху) точку пересечения лучей 1 и 2 не в точке А, а в точке В. Толщина пластины будет ему казаться поэтому равной отрезку ВС = h, т.е. меньше действительной ее толщины
АС = Н.
Выразим n через Н и h; из треугольника ВОС найдем tgi1 
АОС: tgi 2 
CO
, из треугольника
h
CO
. Возьмем отношение правых и левых частей соответственно:
H
tgi1 H

tgi 2
h
(5)
Для лучей, близких к нормально падающим (лучу 2), углы падения и преломления очень малы. Поэтому тангенсы углов i1 и i 2 заменим синусами.
Получаем, сравнивая (4) и (5):
s in i1
tg i1
H


 n
s in i 2
h
tg i 2
Таким образом, показатель преломления стекла
n можно найти из отношения
истинной толщины стеклянной пластинки Н к кажущейся ее толщине h . Величина Н измеряется микрометром, а h - микроскопом с микрометрическим винтом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Ознакомиться с устройством и назначением основных частей микроскопа.
2. Подготовить микроскоп к работе. Для этого:
а) поместить на предметный столик под объектив микроскопа стеклянную пластинку;
б) определить цену деления микрометрического винта микроскопа, зная шаг
винта и число делений на барабане;
в) установить необходимый режим освещения объекта.
3. Вращением сначала кремальерного винта, а затем микрометрического, установить тубус микроскопа так, чтобы четко были видны неоднородности (царапины, пылинки) на верхней грани пластинки. Записать начальный отсчет по барабану микрометрического винта.
4. Провести отсчет числа полных оборотов микрометрического винта и делений
на его барабане для положения тубуса, при котором отчетливо наблюдаются неоднородности на нижней поверхности пластины (т.е. сфокусировать микроскоп на
нижнюю поверхность пластины и взять отсчет).
5. Определить полное смещение тубуса (h) в делениях и выразить его в мм.
6. Повторить измерение h не менее 5 раз.
7. Измерить не менее 5 раз с помощью микрометра действительную толщину
пластинки (Н).
Все результаты измерений и расчётов занесите в таблицу вида:
№
Н, мм.
Начальный
Конечный
от- h
N
n
отсчет микро- счет микрометр
метр винта
винта
обор.
дел.
мм
Окончательный результат записать в виде n  n  n
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Назовите основные детали оптической части микроскопа, их назначение.
2. Общие и отличительные свойства объектива и окуляра.
3. Как определяют линейное увеличение микроскопа?
4. В чем отличие абсолютного и относительного показателя преломления?
5. Сформулируйте основные законы отражения и преломления.
6. Какова связь показателя преломления среды и скорости света в ней?
7. Начертите ход лучей в микроскопе.
Почему при рассмотрении через стеклянную пластину предмет кажется ближе,
ЛИТЕРАТУРА
1. Ландсберг Г.С. Оптика: Наука, 1976, стр. 346-369.
2. Физический практикум. Электричество и оптика. Под ред. В.И.Ивероновой М.:Наука, 1968, стр. 395-406.
3. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. - М.: Росвузиздат, 1963,
стр. 269-273.