Лабораторные работы - Физика

Скачать с сервера

Цель работы: изучение методов определения показателей преломления прозрачных твердых и жидких веществ; знакомство с устройством микроскопа.

Принадлежности: микроскоп; микрометр; набор стеклянных пластинок; шайбы калиброванной толщины; исследуемая жидкость.

 

Элементы теории и метод эксперимента

Микроскоп предназначен для исследования очень малых предметов. Поэтому его оптические элементы подбираются таким образом, чтобы вся система давала наибольшее увеличение.

Конструктивно микроскоп состоит из двух собирающих линзовых систем: объектива с фокусным расстоянием F1, равным нескольким миллиметрам, и окуляра с фокусным расстоянием F2, равным нескольким сантиметрам. Объектив и окуляр удалены друг от друга на расстояние L, существенно превышающее фокусное расстояние как объектива, так и окуляра.

Оптическая схема микроскопа приведена на рис. 1. Исследуемый малый предмет АВ помещается вблизи главного фокуса F1 объектива Л1, так чтобы его изображение А'В' оказалось за линзой (действительное и увеличенное). Полученное в объективе изображение рассматривается в окуляре Л2, как в лупе, т.е. это изображение располагается между главным фокусом F2 и окуляром, но вблизи главного фокуса окуляра. При этом расположение окуляра выбирается таким, чтобы создаваемое им мнимое изображение А"В" действительного изображения А'В' предмета находилось на расстоянии наилучшего зрения (обычно в среднем оно составляет около 25 см и уменьшается с возрастом человека).

Общее увеличение микроскопа К определяется выражением:

К = К1∙К2,                               (1)

где K1 - коэффициент увеличения объектива; К2 - коэффициент увеличения окуляра.

Увеличение объектива равно:

K1 ≈ L / F1.                             (2)

Увеличение К2, как и увеличение лупы, равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию окуляра F2, т.е.

K1 = 0,25 / F2.                        (3)

С учетом уравнений (2) и (3) получаем:

K = 0,25∙L / F1∙F2.                  (4)

Может сложиться впечатление, что увеличение микроскопа можно сделать сколь угодно большим путем уменьшения фокусных расстояний F1, F2 и увеличения длины тубуса или, что то же самое, расстояния L. Однако дифракционные явления ограничивают достигаемую в действительности степень увеличения. Дело в том, что в каждом оптическом приборе на краях диафрагм, оправ линз, и т.д. происходит дифракция света.

Вследствие этого светящиеся точки предмета отображаются не как точки, а в виде дифракционной картины - яркого светлого пятна, окруженного чередующимися темными и светлыми кольцами. Причем светлые соседние пятна сливаются, так что их невозможно различить. Поэтому каждый прибор характеризуется максимальной разрешающей способностью (или пределом разрешения). Она определяется минимальным расстоянием δ между точками предмета, при котором они представляются различимыми. В этом случае главный дифракционный максимум одной точки изображения совпадает с первым побочным максимумом изображения соседней точки. В связи с этим с помощью микроскопа можно различать лишь такие детали предмета (или сами предметы), размеры которых удовлетворяют условию

δ ≥ 0,61∙λ0 / 2∙n∙sinφ,             (5)

где λ0 - длина волны света в вакууме; n - показатель преломления среды, окружающей предмет; φ - угловая апертура, т.е. угол, под которым виден радиус выходного отверстия объектива из точки предмета.

Поскольку произведение n∙sinφ, называемое числовой апертурой объектива, имеет величину, близкую к единице, то минимальные детали, которые еще можно различить с помощью оптического микроскопа, равны (приближенно) половине длины волны световых лучей. Поэтому одним из наиболее простых способов повышения разрешающей способности микроскопов является переход к излучениям с более короткой длиной волны.

Примерно к таким же результатам приводит использование иммерсионных систем. Как следует из выражения (5), величина λ0 / n представляет собой длину световой волны в среде между предметом и объективом микроскопа. В таком случае заполнение этого пространства веществом с более высоким показателем преломления (например, кедровым маслом с n = 1,5) приводит к уменьшению длины волны используемого излучения и, соответственно, к увеличению разрешающей способности микроскопа. Объективы микроскопов, работающие в таких условиях, называются иммерсионными.

 

Экспериментальная часть

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить