Основные теоретические положения. Чем больше угол зрения, под которым мы видим какой – либо предмет, тем больше деталей мы можем на нем различить

Чем больше угол зрения, под которым мы видим какой – либо предмет, тем больше деталей мы можем на нем различить. Величина угла зрения зависит как от размеров рассматриваемого предмета, так и от расстояния до него.

Однако возможности глаза ограничены. Глаз плохо различает предметы под углом зрения, меньшим минуты (это угол, под которым, например, виден отрезок длиной длинной в 10^{-2 м на расстоянии 34 м).}

Если предмет приблизить к глазу чрезмерно близко, то аккомодация становится затруднительной и болезненной.

Наименьшее расстояние D, на котором предмет рассматривается глазом без утомления, называется расстоянием наилучшего видения (для нормального глаза оно равно 0,25 м).

Рассмотрение мелких предметов требует искусственного увеличения угла зрения. Это осуществляется с помощью различных оптических приборов, которые принято делить на две группы:

1.Приборы для рассматривания малых тел (лупа, микроскоп);

2.Приборы для рассматривания удаленных предметов (зрительная труба, телескоп, бинокль).

Изучим приборы первой группы.

Лупа – двояковыпуклая короткофокусная линза (или система линз), через которую рассматриваются малые объекты, располагаемые между линзой и ее главным фокусом. При рассматривании лупа находится непосредственно перед глазом. При указанном расположении предмета глаз видит его мнимое, прямое и увеличенное изображение (рис. 1).

Назначение лупы получить изображение наилучшего видения D. Угловое увеличение лупы β измеряется соотношением угла α, под которым мы видим предмет через лупу, к углу α1, под которым мы видим его невооруженным глазом на расстоянии наилучшего видения.

или

где F–фокусное расстояние лупы (обычно F для лупы равно 0.01- 0.1м).

Рис. 1.

Микроскоп. Оптическая система микроскопа состоит из короткофокусного объектива и окуляра. Ход лучей в микроскопе изображен на рис. 2. Изображение, даваемое объективом, рассматривается в окуляр, как в лупу, т.е. окуляр располагается таким образом, чтобы мнимое увеличенное изображение предмета оказалось на расстоянии наилучшего видения. Различают линейное N и угловое Y – увеличение микроскопа.

Рис.2

Линейное увеличение микроскопа N определяется из следующего соотношения

где N_об – увеличение объектива, равное Δ / ƒ1;

N_ок – увеличение окуляра, равное D / ƒ2;

ƒ1,ƒ2 – фокусные расстояния объектива и окуляра;

Δ – расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра;

D – расстояние наилучшего видения.

Подставляя значения N_об и N_ок в выражение (2), получаем:

Угловое увеличение γ микроскопа измеряется отношением угла α, под которым видно изображение предмета в микроскоп, к углу α1, под которым он виден невооруженным глазом:

Можно показать, что линейное увеличение микроскопа равно угловому увеличению. Практически увеличение микроскопа не может превышать 3000. Это связано с ограничением разрешающей способности микроскопа, обусловленной дифракционными явлениями на краях оправ объектива. Пределом разрешающей способности микроскопа называется наименьшее расстояние ΔZ между двумя точками, изображение которых в микроскопе получается раздельно. Расчеты показали, что ΔZ определяется из формулы

где λ – длина световой молнии;

n – показатель преломления вещества, находящегося между объективом и предметом;

U – апертунный угол (угол, образованный крайними лучами пучка, попадающего в объектив, рис. 3)

Рис. 3

Произведение, равное n·sin U/2, называется числовой апертурой. Как видно из соотношения (5), для повышения разрешающей способности микроскопа необходимо увеличить его числовую апертуру.

Однако возможности увеличения числовой апертуры ограничены. Во-первых, sin U/2 не может быть больше единицы, во-вторых, иммерсионные жидкости, которые вводят между объективом и предметом, имеют показатель преломления, не превышающий 2.0 (например, для глицерина n=1,47; для кедрового масла n=1,52).

Следовательно, минимальные размеры рассматриваемого предмета не должны быть меньше 2/3 (примерно 0.3 мкм), что следует из того же соотношения (5). Ограниченность разрешающей способности микроскопа обуславливает предел его увеличения.

В качестве объектива и окуляра микроскопа обычно используются центрированные системы линз, различных по форме и составу стекла, размещенные в цилиндрической оправе. Объектив ввинчивается в нижнюю часть так называемого тубуса (пустотелой цилиндрической трубки), окуляр вставляется в его верхнюю часть. Тубус устанавливается на неподвижном массивном основании. Он состоит из двух трубок, вставленных друг в друга (в одну трубку вставляется объектив, в другую – окуляр). Такое устройство тубуса дает возможность изменять расстояние между объективом и окуляром. Тубус в целом перемещается с помощью винтов грубой и точной наводки вверх или вниз, приближая или удаляя объектив от исследуемого предмета.

На штативе неподвижно укреплен предметный столик с отверстием в центре. На столик кладут исследуемый предмет. Для освещения предмета, под предметным столиком размещены конденсатор (система линз) и зеркало.