Измерение размеров малых объектов

С помощью микроскопа

 

Цель работы: определение с помощью биологического микроскопа размеров малых объектов.

Приборы и принадлежности: микроскоп биологический, окулярно-винтовой микрометр, объект-микрометр, осветитель, гистологический препарат эритроцитов крови кролика.

Микроскоп является одним из важнейших лабораторных приборов в биологических исследованиях. Микроскопы широко применяют для наблюдения и исследования таких объектов, которые невозможно различить невооруженным глазом.

Построение изобра­жения предмета в мик­роскопе показано на рис.1. Оптическая система микроскопа сос­тоит из двух систем линз: объектива и оку­ляра. Для простоты по­строения изображения на рис.1 система линз объектива замене­на одной собирающей линзой Л₁, а система линз окуляра – линзой Л₂. Предмет АВ помещается перед объективом немного дальше его фокуса. Объ­ектив создает увеличенное действительное изображение А^/В^/ предмета вблизи переднего фокуса окуляра, которое рассматри­вается глазом через окуляр. Возможны три случая взаимного расположения окуляра и изображения А^/В^/: 1) изображе­ние А^/В^/ находится немного ближе переднего фокуса окуляра F₂. В этом случае окуляр создаст увеличенное мнимое изображе­ние А^//В^//, которое проецируется на расстояние наилучшего зре­ния (рис.1); 2) изображение А^/В^/ лежит в фокальной плос­кости окуляра. В этом случае изображение, создаваемое окуля­ром, проецируется на бесконечность и глаз наблюдателя работа­ет без аккомодации; 3) изображение А^/В^/ находится дальше переднего фокуса окуляра. В этом случае изображение, созда­ваемое окуляром, будет действительным, увеличенным. Такое расположение окуляра применяется для микропроекции и микро­фотографии.

Рис. 1.

 

Увеличение микроскопа

, (1)

где f₁ – фокусное расстояние объектива; f₂ – фокусное рас­стояние окуляра; Δ – оптическая длина тубуса: s – расстояние наилучшего зрения.

Можно предположить, что, подбирая соответствующим обра­зом значения величин f₁, f₂ и Δ, получим микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Однако на практике не исполь­зуют микроскопы с увеличением свыше 1500–2000, так как возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обусловливается влиянием дифрак­ции света, происходящей в структуре рассматриваемого объекта,

В связи с этим пользуются понятиями предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.

Предел разрешения микроскопа определяется по формуле

, (2)

где λ – длина волны света, освещающего предмет; n – показатель преломления среды между окуляром и предметом, u – апертурный угол объектива, равный половине угла между край­ними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа. Величина А = n sin u является числовой апертурой. Тогда

. (3)

Эта формула справедлива в случае освещения предмета сходя­щимся пучком лучей.

Учитывая наличие предела разрешения микроскопа и предела разрешения глаза, вводят понятие полезного увеличения микро­скопа. Это такое увеличение, при котором микроскоп создает изображение предмета, имеющего размеры, равные пределу разрешения Z микроскопа, и размеры этого изображения равны пределу разрешения Z_гл невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения:

. (4)

Нормальный глаз на расстоянии наилучшего зрения различа­ет две точки предмета, если угловое расстояние между ними не менее 1^/, что соответствует расстоянию между этими точками по­рядка 70 мкм. В этом случае полезное увеличение будет мини­мальным:

.

Считают, что глаз меньше всего утомляется при рассматрива­нии предметов, размеры которых в 2–4 раза больше предела раз­решения глаза (на расстоянии наилучшего зрения). Поэтому обычно используют микроскопы с полезным увеличением в преде­лах от 2Г_min до 4Г_min.

Если в формулу (4) подставить (3), то получим

. (5)

При освещении объекта белым светом длину волны λ счи­тают равной 0,555 мкм, так как глаз к ней наиболее чувствите­лен. Таким образом, полезное увеличение микроскопа обычно находится в интервале 500 А < Г < 1000 А.

В биологических исследованиях микроскопы часто используют для измерения размеров малых объектов. Для этой цели микроскоп снабжают специальным устройством – окулярно-винтовым микрометром, представляющим собой насад­ку, надевающуюся на верхний конец тубуса микроскопа вместо окуляра. Оптическая часть микрометра состоит из линзы-окуля­ра, неподвижно закрепленной стеклянной шкалы и подвижной стеклянной пластинки, на которую нанесены перекрестье и два вертикальных штриха над ним, параллельные делениям шкалы. Стеклянная пластинка с перекрестьем перемещается вдоль шкалы микрометра с помощью микрометрического винта.

Окулярно-винтовой микрометр закрепляют на тубусе так, что­бы стеклянная шкала находилась в плоскости, в которой распо­ложено действительное изображение предмета, создаваемое объективом микроскопа. При этом изображение шкалы при рас­сматривании в окуляр совмещается с изображением предмета. Перемещая с помощью микровинта подвижную пластинку, можно совместить перекрестье сначала с одним краем рассматриваемого предмета, а затем с другим. При этом можно определить, какому числу делений шкалы микрометра соответствует данное изобра­жение.

Перемещение пластинки с перекрестьем на одно деление шкалы микрометра соответствует одному полному обороту мик­рометрического винта. Барабан микрометрического винта разде­лен на 100 делений; следовательно, с помощью окулярно-винто­вого микрометра можно производить измерения предметов с точ­ностью до 0,01 деления шкалы.

Для определения размеров предмета необходимо знать цену деления окулярно-винтового микрометра. Под ценой деления окулярно-винтового микрометра понимают выраженную в мил­лиметрах длину отрезка, рассматриваемого в микроскоп, изобра­жение которого занимает одно деление шкалы микрометра.

Для определения цены деления окулярно-винтового микрометра применяют объектный микрометр. Объект-микрометр представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесена линейная шкала длиной в 1 мм и ценой деления 0,01 мм.

Объектный микрометр рассматривают в микро­скоп как предмет и, совмещая в поле зрения объектную и оку­лярную шкалы, определяют цену деления окулярного микрометра.

 

Описание установки

На рис.2 изображены внешний вид (а) и схема устройства (б) биологического микроскопа. Оптическая система микроскопа делится на две части: осветительную и наблюдательную. Осве­тительная часть состоит из подвижного зеркала 1, служащего для направления лучей от осветителя на рассматриваемый объект, конденсора 2, образующего на объекте сходящийся пу­чок света; съемного светофильтра 4 и укрепленной на конденсоре ирисовой апертурной диафрагмы 3 для регулировки освещен­ности объекта. Наблюдательная часть состоит из объектива 5, окуляра 7 и призмы 6, которая служит для направления вер­тикальных лучей, прошедших объектив, в наклонный тубус. Объ­ектив представляет собой систему линз, собранных в единой оправе. Передняя линза служит для увеличения, остальные же предназначены для исправления недостатков изображения, создаваемых передней линзой. Окуляр микроскопа обычно сос­тоит из двух линз: верхней – глазной и нижней – собирающей, необходимой для того, чтобы все лучи, прошедшие через объек­тив, попали в глазную линзу окуляра.

Биологический микроскоп имеет три объектива, дающих раз­личное увеличение, которые закреплены в револьвере 11, и три сменных окуляра.

Механическая система микроскопа состоит из массивного основания 8, тубусодержателя, коробки с микрометрическим механизмом 9 для перемещения тубуса и предметного столика 10, на котором укреплены пружины, прижимающие препарат к предметному столику.

Рис. 2.

Порядок выполнения работы

1. Определение цены деления окулярно-винтового микрометра:

а) положите на предметный столик объект-микрометр. Получите четкое изображение шкалы объект-микрометра в окуляре микро­скопа;

б) поворачивая предметный столик, добейтесь того, чтобы вертикальные штрихи шкалы объект-микрометра были параллельны делениям шкалы окулярно-винтового микрометра;

в) вращая барабан микровинта, установите перекрестье окулярно-винтового микрометра на какой-либо штрих шкалы объект-микрометра; желательно, чтобы этот штрих отстоял приблизительно на 1/3 радиуса поля зрения окуляра;

г) снимите показание n₁ окулярного микрометра;

д) переместите перекрестье на N делений шкалы объект-микрометра;

е) снимите показание n₂ окулярно-винтового микрометра;

ж) определите цену деления окулярно-винто­вого микрометра (а – цена деления объект-микрометра);

з) определите цену деления d окулярно-винтового микрометра еще несколько раз, перемещая перекрестье каждый раз на различное число N делений шкалы объект-микрометра;

и) найдите среднее значение цены деления окулярно-вин­тового микрометра;

к) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу;

N	а, мм	n1	n2	n2 - n1	d, мм	, мм

 

2. Определение размеров эритроцитов крови кролика:

а) положите на предметный столик микроскопа гистологический препарат крови кролика.

Получите четкое изображение эритроцитов в окуляре микро­скопа;

б) совместите перекрестье окулярно-винтового микрометра с одним из краев эритроцита и снимите показание m₁ окулярно-винтового микрометра;

в) совместите перекрестье с другим краем эритроцита и снимите показание m₂;

r) определите размер l = (m₂ – m₁) эритроцита;

д) произведите измерение размеров для пяти различных эрит­роцитов;

е) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу;

, мм	m1	m2	m2 – m1	l, мм

 

ж) определите погрешность D l измерения размера эритроцита с доверительной вероятностью a = 0,95.

3. Приготовьте самостоятельно препарат для измерения ширины устьечной щели. Используя вышеописанную методику произведите измерения.

 

Контрольные вопросы

1. Опишите устройство биологического микроскопа.

2. Изобразите ход лучей в микроскопе; выведите формулу увеличения микро­скопа.

3. Что называется пределом разрешения и разрешающей способностью микро­скопа? апертурным углом объектива?

4. Укажите способы увеличения разрешающей способности микроскопа.

5. Опишите специальные приемы микроскопии.

6. Опишите назначение и устройство окулярно-винтового микрометра.

7. Как определяется цена деления окулярно-винтового микрометра в работе?

 

Литература

4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§26.7-26.9.

5. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1974. – §§139–142.

6. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§35; 90.

7. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§83, 84, 85.

 

 

Лабораторная работа № 16