ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Сетчатая оболочка глаза, на которой формируется изображение, не сплошная. Окончания зрительного нерва находятся на некотором, хотя и небольшом, расстоянии друг от друга. Если изображение предмета будет столь малым, что покроет лишь один светочувствительный элемент сетчатки, то глаз будет воспринимать этот предмет как одну светящуюся точку. Для того чтобы изображения крайних точек предмета попадали на соседние светочувствительные элементы, этот предмет должен быть виден под некоторым минимальным углом зрения: 
. (рис.2.1)
 |
Рис.2.1
Поскольку 
, то глаз не будет различать деталей
слишком малых (∆ 
< 3· 10-4 d) или слишком удаленных
(
) предметов и воспримет их как точечные.
Для различения близких, но малых, или больших, но далеких, предметов служат различные визуальные оптические приборы. Основная задача этих приборов состоит в увеличении угла зрения, под которым рассматривается предмет. Схематический ход лучей в этих приборах (лупа, микроскоп, телескоп) известен из школьного курса физики. Лупа и микроскоп предназначены для рассматривания мелких близко расположенных предметов, зрительная труба (телескоп) - для наблюдения удаленных предметов. Обычно лупы дают увеличение не более, чем в 30 раз. Увеличение обычного оптического микроскопа может достигать нескольких тысяч. Увеличение же современного электронного микроскопа, где применяется, конечно, фотографический метод наблюдения, составляет около миллиона.
Величина, обратно пропорциональная минимальному расстоянию
∆ мин, находясь на котором детали наблюдаемого изображения еще различимы, и принимается за разрешающую способность микроскопа. Электромагнитное излучение не задерживается, не рассеивается частицами меньших размеров, чем его длина волны, а значит, и не формирует изображения таких мелких частиц. Чем меньше длина волны, используемого в оптических системах излучения, тем выше их разрешающая способность.
Наименьшая длина волны видимого глазом излучения составляет 0,38 мкм = 3,8 ּ10-4мм. Поэтому частицы вещества с линейными размерами, например, 10-5мм с помощью обычного (оптического) микроскопа уже нельзя наблюдать.
Как известно, заметными волновыми свойствами обладают микрочастицы, в частности, электроны. При ускорении электрическим полем с разностью потенциалов в десятки тысяч вольт электронный пучок может рассматриваться как волна с длиной 10 –9мм. В то же время с помощью электрических и магнитных полей электронными пучками можно управлять так же, как обычными световыми лучами управляют с помощью стеклянных линз. Это позволяет создать электронный микроскоп, разрешающая способность которого в сотни тысяч раз больше способности оптического микроскопа.
Возможность наблюдать объект малых размеров (порядка 10-6мм) с помощью современных приборов имеет большое научное и практическое значение. Трудно переоценить значение изобретения микроскопа для биологии. Создание микроскопа позволило биологам непосредственно наблюдать многие элементарные частицы биологических тканей, жидкостей. Первые успешные применения микроскопа в научных исследованиях связаны с именами английского ученого Р. Гука, установившего в 1665 году, что животные и растительные ткани имеют клеточное строение, и голландского ученого А. Левенгука, открывшего в 1673 – 1677 гг с помощью микроскопа микроорганизмы.
По областям применения и методам наблюдения современные микроскопы делятся на биологические, металлографические, поляризационные, измерительные и другие. Биологические микроскопы предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии, ботанике, медицине, а также для наблюдения прозрачных объектов в физике, химии и т.д. Разработаны специальные биологические микроскопы для исследования структуры тканей, находящихся в питательной среде. Микроскопы часто снабжены термостатирующими камерами, а иногда и устройствами для киносъемки медленных и быстрых биологических процессов: движения микроорганизмов, процессов деления клеток и других.
Простейший микроскоп состоит из двух линз: линзы, обращенной к наблюдаемому объекту и называемой объективом, и линзы, обращенной к глазу наблюдателя и называемой окуляром. Оптическая схема микроскопа представлена на рис.2.2. Объект АВ помещается перед объективом О1немного дальше его фокусного расстояния f1, объектив создает действительное обратное увеличенное изображение А ' В '. Это изображение в свою очередь является предметом по отношению ко второй линзе – окуляру О2, которая, действуя как лупа, дает мнимое увеличенное по отношению к А ' В ' изображение А '' В '' на расстоянии наилучшего зрения d от глаза наблюдателя.
В зрительных трубах (телескопах), использующихся для
наблюдения удаленных предметов, объектив выбирается
длиннофокусным. Поскольку предмет удален на расстояние, больше
2 f1, изображение А ' В ' в этом случае получается уменьшенным.
 |
Рис.2.2.
Фокусировка микроскопа, т.е. установка его на ясное видение изображения, производится перемещением прибора относительно объекта. Фокусировка зрительной трубы производится изменением расстояния между объективом и окуляром – длины тубуса 
.
Линейное увеличение микроскопа:
, (2.1)
где А ' В ' и АВ – линейные размеры изображения и предмета соответственно. Обычно глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность и находится вблизи фокальной плоскости окуляра, которая будет в этом случае удалена от изображения А '' В '' на расстояние наилучшего зрения d. Из рис.2.2 видно, что увеличение окуляра будет приближенно равно:
, (2.2)
так как изображение А ' В ' располагается вблизи окуляра F2.
. (2.3)
Из (2.2) и (2.3) получаем для линейного увеличения микроскопа выражение:
(2.4)
Для микроскопов с большим увеличением фокусные расстояния f 1 и f 2 малы по сравнению с длиной тубуса L и их увеличение можно рассчитать по формуле:
. (2.5)
Кажется, что, уменьшая фокусные расстояния f 1, f 2 и увеличивая L, можно достигнуть сколь угодно больших β. Однако предел увеличению, даваемому микроскопом, кладется волновой природой света.
Объективы и окуляры промышленных микроскопов состоят из систем линз, заключенных в единые оправы. Их фокусные расстояния f 1 и f 2 представляют собой некоторые суммарные (эффективные) значения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Схема лабораторной установки, с помощью которой моделируется микроскоп с заданным увеличением β, представлена на рис.2.3.
Все элементы установки могут свободно перемещаться
вдоль оптического рельса (скамьи) 1. Здесь 2 – металлическая
 |
Рис.2.3
миллиметровая линейка, служащая рассматриваемым предметом; 3 – объектив, 4 – окуляр. Рейтеры, на которых монтируются указанные элементы, при необходимости могут быть закреплены на рельсе с помощью фиксирующих винтов. Для контроля и измерения расстояний между различными элементами установки служит сантиметровая шкала, нанесенная на рельс слева. С помощью ее устанавливают необходимое расстояние между объективом и окуляром L – длину тубуса.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. В соответствии с формулой (2.4) для микроскопа с заданным преподавателем увеличением β при известных фокусных расстояниях
объектива f 1 и f 2 необходимо обеспечить определенную длину тубуса L. В связи с этим сначала нужно выразить L из формулы (2.4), записать полученную формулу в общем виде в тетради, затем подставить числовые значения d, f 1 и f 2 и найти значение длины тубуса L.
2. После установки на оптической скамье найденного расстояния L между линзами определяют фактическое (экспериментальное) увеличение βэкс . собранного микроскопа. Это проще всего выполняется с помощью двух миллиметровых линеек (рис.2.4). Одну из линеек (правую) рассматривают через микроскоп, изображение в котором, как отмечено в теоретической части, получается на расстоянии наилучшего зрения от глаза наблюдателя. Резкое изображение шкалы линейки получают, перемещая ее по рельсу.
 |
Рис.2.4
Расположив на таком же расстоянии (25см) от наблюдателя параллельно первой вторую (левую) линейку, одновременно рассматривают ее невооруженным левым глазом. Затем совмещают поле зрения правого глаза с полем зрения левого глаза и находят два таких деления первой линейки, которые наилучшим образом совпали бы с двумя какими-либо делениями второй. Заметив число делений n на первой линейке и m – на второй (m = mв - mн), укладывающихся между
совпадающими делениями, можно найти увеличение микроскопа по
формуле: 
(2.6)
На практике совместить непосредственно число делений m миллиметровой линейки с n делениями изображения очень трудно, поэтому рекомендуется в работе сначала пользоваться вспомогательной линейкой с более крупными делениями. К этой вспомогательной линейке прикреплена измерительная левая миллиметровая линейка. Затем расстояние между совпадающими делениями этой «грубой» шкалы можно измерить в миллиметрах с помощью расположенной рядом второй линейки и найти число m = mв - mн.
3. Операцию нахождения m и n и расчета βэкс . по формуле (2.6) повторяют пять раз и находят среднее значение 
. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу.
| Номер опыта | mв | mн | m = mв - mн. | n |
|
4. Находят абсолютную погрешность косвенных измерений Δ βэкс . По формуле: 
.
5. Записывают результаты расчетов и Δ βэкс в стандартном виде, сравнивают результат измерений с заданным увеличением и делают соответствующие выводы. Оценивают возможность использования построенного микроскопа для рассматривания различных биологических объектов и составляют их перечень.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Зарисовать в отчете и пояснить ход лучей в микроскопе.
2. Как зависит увеличение микроскопа от длины тубуса?
3. Что называется линейным увеличением микроскопа?
4. Что такое разрешающая способность микроскопа? От чего она
зависит?
5. За счет чего электронный микроскоп имеет высокую
разрешающую способность?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА.
Цель работы: изучение теоретических основ явления интерференции; ознакомление с методами получения когерентных световых волн; изучение зависимости ширины интерференционной полосы от длины волны света.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья с осветителем, щелью, бипризмой, светофильтром и окулярным микроскопом.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Интерференцией называют явление наложения волн, при котором в одних точках общего волнового поля они усиливают друг друга, а в других – ослабляют. В первом случае получается максимум результирующего действия волн, во втором – минимум.
Действие световой волны определяют ее интенсивностью – средней энергией, приносимой волной в единицу времени через