"Биология. Бактерии, грибы, растения. 6 класс" В. В. Пасечник

Устройство увеличительных приборов, используемых в школе

Вопрос 1. Какие увеличительные приборы вы знаете?
К увеличительным приборам относятся лупа и микроскоп

Вопрос 2. Что представляет собой лупа и какое увеличение она дает?
Лупа - самый простой из увеличительных приборов. Она состоит из увеличительного стекла, вставленного в оправу. Увеличительное стекло выпуклое с двух сторон. Лупы различают ручные и штативные. У ручной лупы увеличительное стекло вставлено в оправу с ручкой. Ручная лупа увеличивает предметы в 2-20 раз. У штативной лупы в оправу, укрепленную на подставке - штативе, вставлены два увеличительных стекла. К штативу прикрепляется предметный столик с отверстием и зеркалом. Штативная лупа увеличивает предметы в 10-25 раз.

Вопрос 3. Как устроен микроскоп?
Световой микроскоп состоит из зрительной трубки (тубуса), предметного столика и зеркальца, которые прикрепляются к штативу. В верхний конец тубуса вставлен окуляр. Окуляр состоит из оправы и вставленных в него двух увеличительных стекол (линз). На противоположном (нижнем) конце тубуса находится объектив. Он также состоит из оправы и нескольких линз. Положение тубуса относительно располагаемых на предметном столике объектов регулируется винтами (Рис. 1.)

Рис. 1. Строение микроскопа

Вопрос 4. Как узнать, какое увеличение дает микроскоп?
Чтобы узнать, какое увеличение дает микроскоп, необходимо умножить увеличение окуляра (чиоло, указанное на окуляре) на увеличение объектива (на число, указанное на объективе). Например, если окуляр дает 7-кратное увеличение, а объектив 8-кратное, то общее увеличение равно 56 раз (7 х 8 = 56).

Сергей ТРАНКОВСКИЙ.

Мать от сына слышит
радостную речь:
- Свет хранят в потёмках,
чтоб его сберечь.
Наклонившись низко,
шепчет сыну мать:
- Свет бросают в воду,
Чтоб его сломать.
Наталья Ванханен

Рис. 1. Так преломляется световой луч, упавший в воду. Чем больше угол между лучом и вертикалью к поверхности, тем сильнее он преломляется (а).

Рис. 2. Модель преломления света. Роль светового луча играет траектория двухколёсной тележки; «среды» с разным показателем преломления - столешница и салфетка из рыхлой ткани.

Опыт с монетой (он же фокус). На дно неглубокой миски положите монету...

«Большая линза Трюдена» - устройство для получения высокой температуры сфокусированным светом Солнца. Франция, середина XIX века.

Рис. 4. Ход лучей в линзе при разных положениях рассматриваемого предмета.

Опыт (он же фокус) с цилиндрической линзой. Роль линзы выполняет стакан с водой.

Ложка, опущенная в стакан с водой, кажется сломанной.

Исследователи, изучающие окружающий мир, нуждаются в научных инструментах и приборах. По мере того как учёные всё глубже познают строение вещества, устройство Вселенной и природу живых организмов, эти приборы становятся всё сложнее. Считается, что первым инструментом исследователя была лупа - круглый кусочек прозрачного материала, утолщённый в середине и тонкий по краям. Возможно, первым исследователем оптических свойств стекла стал арабский учёный Аль Хазен (или Ибн-аль-Хайсам). В X веке он написал: «Если смотреть сквозь сегмент стеклянного шара, он станет увеличивать предметы».

Лупа (и другие оптические приборы) способна увеличивать предметы в несколько раз. А происходит это потому, что в материале, из которого она сделана (например, в стекле), скорость света меньше, чем в воздухе. Световой луч, падая под углом на границу между воздухом и стеклом, ломается. Крутизна этого излома зависит от свойств стекла - его показателя преломления. Величина показателя преломления тем больше, чем сильнее отличаются скорости света в воздухе и в веществе - стекле, воде, прозрачной пластмассе (рис. 1).

Наглядно увидеть, как световой луч меняет направление, переходя из одной среды в другую, можно при помощи несложного опыта.

Возьмите два колёсика от игрушечной машинки (или вырежьте их из картона) и насадите на ось - деревянную палочку длиной 8-10см. Путь, по которому покатится такая тележка, изобразит ход светового луча, а её скорость - скорость света.

Закройте часть стола салфеткой или скатертью. Получится модель двух сред. В одной (гладкая столешница) «скорость света» велика; в другой, более плотной (рыхлая ткань), - мала (фото вверху).

Запустите тележку перпендикулярно границе «сред». Она коснётся границы одновременно обоими колёсами и поедет дальше медленнее, но не меняя направления. «Преломления света» не происходит. Если же вы пустите тележку под углом к границе, то в первый момент она наедет на границу только одним колесом, скорость которого уменьшится. Но второе колесо продолжит катиться по доске с прежней скоростью. В результате тележка развернётся на некоторый угол и покатится по салфетке по другому пути. «Луч света» испытал «преломление». А миновав «плотную среду» (салфетку), тележка развернётся на такой же угол, но в противоположную сторону, и покатится по траектории, параллельной начальной (рис. 2).

Тележка, пущенная обратно по своему пути на салфетке, испытает «преломление» на границе, но уже в обратную сторону и двинется по столешнице, повторяя первоначальный путь. В оптике это явление называется законом обратимости световых лучей.

Вернёмся к линзе. Её поверхность криволинейна, поэтому все лучи, падающие на неё, за исключением попадающего в самый центр, преломляются. Центральный луч проходит линзу насквозь либо совсем без преломления, либо преломляясь дважды и лишь слегка смещаясь в пространстве. Форма линзы подобрана так, что параллельные лучи, пройдя сквозь неё, сходятся в одной точке, называемой фокусом (в переводе с латыни focus - очаг, огонь: солнечные лучи, собранные линзой, действительно способны не только зажечь пламя, но и расплавить металл). А лучи, отражённые от какого-нибудь предмета, сходятся в фокальной плоскости (на ней лежит точка фокуса), создавая его изображение.

Теперь мы со знанием дела можем нарисовать ход лучей в линзе для разных случаев (рис. 4). Нарисуем прямую, проходящую через центр линзы, - её оптическую ось. Отложим на ней справа и слева от линзы две точки фокуса и две точки на двойном расстоянии от линзы (они нам тоже пригодятся). Посмотрим, как пойдут через линзу лучи, отражённые от предмета, который станем помещать на разных расстояниях от неё (рис. 4а).

Из бесчисленного множества световых лучей, отражённых от предмета, нам понадобятся только два, исходящих из одной его точки. Один луч пустим через центр линзы - он пройдёт насквозь, не преломившись (небольшим смещением луча пренебрежём). Вторым будет луч, идущий параллельно оптической оси лупы. После преломления он попадёт в точку фокуса. Их пересечение даст одну точку изображения. Таким же способом можно получить все остальные точки, построив изображение целиком.

Проведём два эксперимента.

1. Предмет поместим на расстоянии, немного большем фокусного. Построив ход упомянутых лучей, мы увидим, что все они пересеклись за линзой, создав увеличенное и перевёрнутое изображение предмета за двойным фокусным расстоянием. Начнём отодвигать предмет. Его изображение станет уменьшаться и приближаться к линзе (рис. 4а).

Изображение предмета, находящегося на двойном фокусном расстоянии от линзы, возникнет на таком же расстоянии за ней и будет иметь такой же размер (рис. 4б).

Чем дальше находится предмет, тем меньше его изображение, тем ближе оно к фокальной плоскости, а начиная с определённого расстояния, своего для каждой линзы, которое считается бесконечным, лежит уже точно на ней (рис. 4в).

Все эти изображения вполне реальные, они называются действительными, их можно спроецировать на бумагу и обвести карандашом, зафиксировать на фотоплёнке или на матрице цифровой видео-техники. Линзы, которые применяют для получения действительных изображений, служат объективами фотоаппаратов, видеокамер и других оптических приборов. Но используют их не поодиночке, а собирая в группы, конструируя сложные оптические системы, дающие изображения высокого качества.

Если же предмет поместить на расстоянии, равном фокусному, никакого изображения не получится: лучи после преломления станут параллельными. Зато светящаяся точка в фокусе линзы (рис. 4г) согласно закону обратимости даст параллельный пучок лучей, как это и происходит в различных прожекторах и фонарях.

2. Предмет помещён между линзой и точкой её фокуса. В этом случае линза работает как лупа, первый научный ин-струмент, много веков назад вооруживший глаз исследователя.

Рассмотрим ход лучей в лупе, проделав те же построения, что и раньше (рис. 4д).

И тут нас подстерегает неожиданность: лучи не пересекаются, а расходятся, и никакого изображения на нашем построении не получается! Однако мы его видим. Почему? Именно потому, что мы его видим.

Человеческий глаз устроен таким образом, что расходящиеся лучи он воспринимает как лучи, выходящие из одной точки. И, продлив линии построения на чертеже до их пересечения, мы получим точку кажущегося (мнимого) изображения. Его на самом деле не существует, оно - плод зрительной иллюзии и нашего воображения. Но это изображение сильно увеличено по сравнению с предметом, на нём видны мелкие детали, незаметные простым глазом.

На оправе лупы обычно отмечают её увеличение, например 7×, 10× или 7×, 15×, что означает: лупа увеличивает в 7, 10 или 15 раз, то есть во столько раз она как бы приближает предмет к глазу. Человек с хорошим зрением различает мелкие детали лучше всего в 25см от глаз (это расстояние наилучшего зрения). А лупа, «приближая» предмет до расстояния нескольких сантиметров, позволяет увидеть детали ещё более мелкие.

Фокусное расстояние лупы f равно расстоянию наилучшего зрения, делённому на её увеличение N: f = 25/Nсм. И, если предмет поместить в фокус лупы, глаз увидит его на бесконечности.

Линзы бывают не только сферические. В сложных оптических приборах ставят линзы с поверхностью в форме параболоида, эллипсоида и других, не менее сложных форм. Широко применяются и цилиндрические линзы.

Стандартный кинокадр на плёнке имеет формат 18 × 24 мм. Этот кадр проецируется на экран с соотношением сторон 1 × 1,5. Но лет пятьдесят назад возникло широкоэкранное кино, где применялся экран с соотношением сторон приблизительно 1 × 3. Чтобы уместить такой широкий кадр на узкой плёнке, при съёмке фильмов применили цилиндрические линзы (их называют анаморфотными, то есть изменяющими форму). Такие линзы сжимают изображение по горизонтали, оставляя вертикальные размеры без изменения. Люди на этих кадрах выглядят сильно вытянутыми и очень худыми (напоминают куклу Барби). Проецируется фильм тоже через цилиндрическую линзу, которая растягивает горизонтальные размеры изображения, придавая ему нормальный вид.

Лупа, впервые упомянутая чуть менее двух тысяч лет тому назад, до сих пор остаётся одним из самых востребованных инструментов и в науке и в жизни. Геологи, ботаники, энтомологи и другие исследователи носят с собой складные лупы. Исследователи в лаборатории применяют так называемые препаровальные штативные лупы. Хирурги, рассматривая операционное поле, и монтажники электронных устройств применяют бинокулярные лупы для обоих глаз. Лупа может менять форму и назначение, превращаясь в объектив, бинокль, очки, пенсне, лорнет, микроскоп и другие не менее полезные устройства, но, судя по всему, останется навсегда.

Лупа или, как её еще называют, увеличительное стекло является одним из наиболее простых приборов, с помощью которых человек расширяет возможности своего зрения.
Видеть лупу и пользоваться ею приходилось, вероятно, многим из вас. Помещая лупу между глазом и рассматриваемым предметом, вы видите этот предмет в увеличенном виде и получаете тем самым возможность разглядеть такие детали предмета, которые ускользают от невооружённого глаза.
Лупа приносит человеку большую пользу. Её постоянно используют в своей работе часовщики, мастера, имеющие дело с различными мелкими механизмами, и работники многих других профессий. Пользование лупой значительно облегчает их труд, увеличивает его производительность и повышает его качество.
В чём же заключается секрет действия лупы? Почему лупа позволяет нам видеть предметы в увеличенном виде?
Лупа - это обычная собирательная линза с малым фокусным расстоянием. Она увеличивает угол зрения. Происходит это следующим образом.
Рассматриваемый предмет помещается между лупой и её фокусом. Вы уже знаете, что в этом случае лупа не может дать на экране изображения предмета: лучи, прошедшие через линзу, идут расходящимися пучками и не собираются справа от линзы в точки. Но если мысленно продолжить лучи влево от линзы, то окажется, что они пересекаются и дают изображение предмета.
Получить это изображение на бумаге нам не удаётся. Ведь в месте пересечения мысленно проведённых линий нет никаких лучей! Поэтому подобное изображение называют мнимым.
Однако мнимое изображение можно увидеть. Для этого надо поместить справа за лупой, на пути расходящихся лучей, глаз. Тогда нам покажется, что лучи, идущие от лупы в глаз, пересекаются за лупой, и в месте их пересечения мы увидим мнимое изображение предмета.
Посмотрите, размер мнимого изображения значительно больше самого предмета. Поэтому глаз видит мнимое изображение под большим углом зрения, чем видел бы он помещённый на том же расстоянии предмет без лупы. Но если угол зрения увеличился, то увеличился и размер изображения на сетчатке.
А раз это так, то в передаче изображения в мозг участвует больше светочувствительных телец, и глаз может увидеть такие детали предмета, которые неразличимы без лупы. Итак, секрет действия лупы заключается в том, что она увеличивает угол зрения, а наш глаз воспринимает это как увеличение размера самого предмета.
Лупы бывают разные. Одни увеличивают угол зрения а значит, и видимые размеры предмета в 2-3 раза, другие - в 10-20 раз. Увеличение лупы зависит от её фокусного расстояния. Чем меньше фокусное расстояние лупы, тем больше размер даваемого ею мнимого изображения, тем больше увеличение лупы.
Казалось бы, что с помощью лупы можно получать очень большие увеличения,- надо только уменьшать её фокусное расстояние. Но это не так. Получать увеличения с помощью лупы больше чем в 30-40 раз не удаётся. Причиной этому являются два обстоятельства.
Во-первых, для больших увеличений потребовались бы лупы со слишком выпуклыми поверхностями. Такие лупы сильно искажают правильность хода проходящих через них лучей и не могут давать чётких изображений. Во-вторых, требовалось бы очень близко приближать лупу к предмету.
Так, при увеличении в 250 раз предмет должен был бы находиться от лупы на расстоянии меньше одного миллиметра. Практически пользоваться такой лупой крайне затруднительно.
Таким образом, лупа позволяет нам лишь немного заглянуть в мир малых предметов. Чтобы проникнуть в него дальше, надо вооружить глаз каким-то другим, более мощным прибором, который увеличивал бы угол зрения, а значит, и видимые глазу размеры мелких предметов не в десятки, а в сотни раз.
Что это за прибор, как он устроен и как действует - об этом мы сейчас и расскажем.

Популярные статьи сайта из раздела «Сны и магия»

ЛУПА - оптич. система, состоящая из линзы или неск. линз, предназначенная для увеличения и наблюдения мелких предметов, расположенных на конечном расстоянии. Наблюдаемый предмет ОО 1 (рис. 1) помещают от Л. на расстоянии, немного меньшем её фокусного расстояния f (FF" - фокальная плоскость). В этих условиях Л. даёт прямое увеличенное и О-О" 1 предмета. Лучи от изображения О-О 1 " попадают в глаз под углом a, большим, чем лучи от самого предмета (угол j); этим и объясняется увеличивающее действие Л.

Осн. характеристиками Л. являются видимое увеличение Г, линейное поле 2 у в пространстве предметов и диаметр выходного зрачка. Видимым увеличением Л. наз. отношение тангенса угла, под к-рым виден предмет через Л. (tg a), к тангенсу угла, под к-рым наблюдается предмет невооружённым глазом (tg j): Г = tg a/tg j=250/f (250 мм - расстояние наилучшего видения). В зависимости от конструкции Л. могут иметь увеличение от 2 до 40-50. Обычно диаметр Л. D Л бывает больше диаметра глаза D гл, поэтому выходным зрачком системы лупа - глаз является зрачок глаза. В большинстве случаев в передней фокальной плоскости Л. нет полевой диафрагмы, поэтому поле Л. резко не ограничивается. Оправа Л. является виньетирующей. Угл. поле Л. 2у в пространстве изображений при отсутствии винъетирования определяется лучом, идущим через верх. край Л. и верх. край глаза (рис. 2), т. е. tg w" = (D л - D гл )/2t" , где t" - расстояние от Л. до глаза. Соответствующее линейное поле Л. в пространстве предметов 2y=f(D л - D гл )/t" .

Рис. 1. Схема оптической системы лупы.

Рис. 2. Схема для определения линейного поля лупы.

Рис. 3. Виды луп.

Характеристики Л. зависят от её оптич. системы. Л. в виде одиночных линз имеют увеличение до 5-7 х, линейное поле с удовлетворительным качеством изображения для такой Л. не превышает 0,2f ". Усложнение оптич. системы Л. улучшает её характеристики и даёт возможность исправлять аберрации. Так, напр., апланатическая лупа Штейнгеля (рис. 3, а), состоящая из двояковыпуклой линзы из крона (см. Оптическое стекло )и двух отрицат. флинтовых менисков, имеет увеличение до 6-15 х и угл. поле до 20°. Наиболее совершенные Л. из четырёх линз (рис. 3, б )имеют увеличение 10-44 х, угл. поле 80-100° и устраняют астигматизм.

Лит.: Теория оптических систем, 2 изд., М., 1981. ЛУЧ - понятие геометрической оптики (световой Л.) и геометрической акустики (звуковой Л.), обозначающее линию, вдоль к-рой распространяется поток энергии волны, испущенной в определ. направлении источником света или звука. В каждой точке Л. ортогонален волновому фронту. В однородной среде Л.- прямая. В среде с плавно изменяющимися оптич. (или акустич.) характеристиками Л. искривляется, причём его кривизна пропорц. градиенту показателя преломления среды. При переходе через границу, разделяющую две среды с разными показателями преломления, Л. преломляется, согласно