ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Возможности оптических инструментов для визуального наблюдения зависят от свойств и особенностей глаза.

Изменение оптической силы глаза, позволяющее фокусировать изображение на сетчатку, происходит за счет глазной мышцы, сжимающей хрусталик и увеличивающей кривизну его поверхностей. Область аккомодации простирается от ближней (при максимальном напряжении мышцы) до дальней (при расслабленной мыш­це) границы ясного видения. Для нормального глаза дальняя гра­ница лежит в бесконечности, а ближняя увеличивается с возрастом от 7 см (моложе 10 лет) до 25 см (к 40 - 45 годам). Оптимальное расстояние для чтения и письма соответствует L =25 см (для нормального глаза). Это расстояние условно принимается за расстояние ясного (наилучшего) зрения. Для молодого человека с нормальным зрением оно соответствует среднему напряжению глазной мышцы.

Оптические приборы, дающие совместно с глазом изображение на сетчатке, позволяют улучшить распознавание деталей благодаря увеличению углов зрения. Углом зрения называется угол, под которым виден предмет. Видимые человеком поперечные размеры предмета пропорциональны тангенсу угла зрения, если последний отсчитывать от оптической оси.Увеличением оптического прибора (видимым или поперечным увеличением) называется отношение поперечных размеров предмета или тангенсов углов зрения при наблюдении через прибор и при наблюдении невооруженный глазом :

. (1)

Полагают, что расстояние до объекта одинаково при наблюдении через зрительную трубу, бинокль или телескоп и его рассмотрении без этих приборов.

При определении увеличения микроскопа и лупы принято считать, что наблюдение невооруженным глазом ведется на условном расстоянии ясного зрения. Тогда

, (2)

где y - поперечный размер предмета.

Лупа дает увеличенные изображения предметов, на­ходящихся на небольших расстояниях от глаза. Изображение получается прямым и мнимым. Предмет y устанавливается в передней фокальной плоскости линзы, тогда глаз, находящийся вблизи ее заднего фокуса, аккомодируется на бесконечность (рис. 1а). При этом он утомляется в наименьшей степени. Как видно из рис. 1:

,

тогда увеличение линзы:

. (3)

Предмет может быть несколько смещен от фокуса в сторону линзы, тогда глаз, находящийся точно в заднем фокусе, наб­людает мнимое изображение у', находящееся на конечном рас­стоянии, удобном для наблюдения (рис.1б). Угол и увеличение g остаются теми же.

Увеличение возрастает с уменьшением фокусного расстояния, но изготовление лупы с малым фокусным расстоянием, а следовательно, малого диаметра, крайне затруднительно. Поэтому на практике увеличение луп не превосходит 40, а у простейших луп из одной собирающей линзы не превышает 5.

В любом оптическом инструменте для визуального наблюдения роль лупы выполняет окуляр.

Микроскоп служит для рассмотрения близко расположенных предметов или их фрагментов с большим увеличени­ем. Он состоит из двух систем собирающих линз: объектива (ОБ) и окуляра (ОК), расположенных на довольно значительном расстоянии друг от дру­га по концам трубки - тубуса. Предмет помещается на малом расстоянии перед передним фокусом объектива. Объектив дает действительное перевернутое увеличенное изображение Y, которое рассматривается через окуляр, действующий как лупа. Микроскоп в целом дает действительное (oбpaтнoe) изображение. Результирующее увеличение велико, так как является произведением увеличений объектива и окуляра. На рис. 2 показан ход лу­чей в микроскопе при аккомодации глаза на бесконечность. Обыч­ные для микроскопа сложные системы линз здесь показаны услов­ными стрелками. Расстояние между фокусами обеих линз назы­вается оптической длиной тубуса.

Увеличение микроскопа . (4)

Знак "минус" в (3) указывает на то, что изображение получается перевернутым.

Зрительные трубы предназначаются для наблюдения удаленных объектов. Поэтому изображение объекта, даваемое объективом, находится практически в задней фокаль­ной плоскости. Оно получается уменьшенным, перевернутым и рассматривается в окуляр как в лупу. Для нормального глаза, аккомодированного на бесконечность, задний фокус объектива должен быть совмещен с фокусом окуляра. Таким образом, параллельный пучок от каждой точки удаленного предмета после прохождения через трубу остается параллельным. Оптические системы, обладающие этим свойством, называются телескопическими.

Увеличение зрительных труб определяется по формуле (1). Во всех случаях оно равно отношению ширины падающего пучка лучей (диаметра оправы объектива) к ширине соответству­ющего выходного пучка или отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра :

(5)

На рис.3 показана астрономическая труба Кеплера, у которой обе системы линз собирающие. Изображение получается перевернутым. В плоскости MN получается уменьшенное изображение оправы объектива, полученное с помощью окуляра диаметром .

На рис. 4 показан ход лучей в трубе Галилея, где в ка­честве окуляра используется рассеивающая линза, благодаря чему получается мнимое прямое изображение. В формуле (6) знаки "-" меняются на “+”. Театральные бинокли представляют собой две параллельные трубы Галилея с небольшим увеличением.

ИЗМЕРЕНИЯ.

I. Увеличение лупы. Перемещением линзы и экрана добиваются получения чёткого изображения сетки на экране. Измеряется по делениям линейки оптической скамьи расстояние а₁ между линзой и сеткой и расстояние а₂ между линзой и экраном.

Увеличение лупы определяется по формуле: ,

где L – расстояние ясного зрения (для нормального человеческого глаза L=25 см), f – фокусное расстояние лупы:

.

Измерения проводятся для нескольких значений. Одна половина измерений проводится при наличии увеличения изображений, другая — при наличии уменьшения изображений.

II. Увеличение микроскопа. На предметный столик устанавливается шкала с делениями. Це­на делений микроскопа известна (0,1 мм). Микроскоп фокусируется на шкалу. На столик, расположенный на расстоянии L =25 см от окуляра, кладут линейку с миллиметровыми делениями. Одним глазом наблюдают шкалу через микроскоп, а другим - линейку, совмещая их зрительно. На достаточно длинном общем отрезке отсчитывают число делений шкалы - и число миллиметровых делений линейки - . Увеличение будет равно , где - цена деления шкалы в миллиметрах. Если в установке имеется де­лительная призма, то наблюдения проводятся одним глазом.

III. Увеличение зрительной трубы . Зрительная труба фокусируется на линейку с делениями, расположенную на расстоянии не менее 5 м. Эта ли­нейка рассматривается одним глазом через трубу, а другим - не­посредственно. На достаточно большом общем отрезке отмечается число делений, видимых через трубу - и число непосредствен­но наблюдаемых делений – п₂ .Увеличение .

ЗАДАНИЕ.

1.Определить увеличение лупы, микроскопа, зрительной трубы.

2.Определить линейные размеры нескольких микрообъектов.

3.Определить разрешающую способность микроскопа по формуле:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6о

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: