Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ЗБІЛЬШУВАЛЬНА ОПТИКА

XVII ст. з повною підставою називають часом народження нової науки, девізом якої стало безстороннє спостереження й неупереджений висновок, що не спирається на думки жодних авторитетів. Розвитку такої науки вимагало зародження промисловості, і практичним інструментом науки ставали не схоластичні богословські диспути, а вимірювальні прилади. Саме ця причина обумовила появу мікроскопа й телескопа. Звичайно, спостереження, для яких були призначені ці інструменти, не викликалися в ті роки безпосередніми інтересами промисловості: до цього науці й виробництву треба було пройти ще довгий шлях. Але наука має чудову здатність передбачення. Коли техніці й медицині XIX ст. знадобилося глибше освоїти навколишній живий і неживий світ, а техніці XX ст. — ще й космічний простір, до їх послуг з’явилися задовго до того створені інструменти, а також величезний накопичений багаж зроблених з їхньою допомогою спостережень.

Не дивно, що мікроскоп і телескоп з’явилися майже одночасно. Обидва вони були створені при вдосконалюванні лупи, коли домагалися не тільки збільшення лінз, але й досконалішого зображення й більшої зручності при роботі. Основна ідея цього вдосконалення виглядає надзвичайно просто. Якщо за допомогою лупи ми спостерігаємо збільшене зображення предмета, то чому б не замінити сам предмет його збільшеним зображенням і розглядати «зображення зображення»? Інакше кажучи, замість однієї використовувати дві лінзи, розташувавши їх одну за одною на певній відстані по ходу світлових променів.

Однак відразу ясно, що першу з лінз використовувати як лупу не можна: після виходу з лупи пучок світлових променів виявляється паралельним або навіть розбіжним, а треба одержати збіжний пучок, що давав би дійсне, а не мниме зображення. Це зображення вже можна буде розглядати через другу лінзу, як через лупу. Зрозуміло також, що між мікроскопом і телескопом не повинно бути принципового розходження: за допомогою й того, й іншого ми одержуємо збільшені зображення не більших або маленьких за своїми розмірами об’єктів, а предметів, що займають невелике поле на сітківці ока.

Мікроскоп і телескоп різняться лише картиною розподілу світла у вихідному потоці. Від далекої зірки промені потрапляють в інструмент практично паралельним пучком, оскільки розміри його вхідного отвору набагато менші від розмірів зірки, а від близького предмета, наприклад, бактерії, — широким розбіжним пучком, оскільки розмір першої лінзи набагато перевершує розміри предмета. Це розходження не є принциповим (про що можна судити хоча б з того, що неозброєне око саме працює в обох «режимах»), і мікроскоп можна легко перетворити па телескоп (і навпаки) взаємним переміщенням лінз. Так, Галілей у свій телескоп міг розглядати й супутники Юпітера, і кімнатних мух; останні, як він писав, виглядали величезними, немов кури. Для цього досить було в телескопі лише трохи пересунути лінзи.

Галілея іноді називають винахідником мікроскопа, але це навряд чи правильно. Ідея сполучення двох лінз, можна сказати, носилася в повітрі Європи наприкінці XVI ст. Є історичні свідчення, що ця ідея вперше була втілена в Голландії на межі XVI і XVII ст. Деякі історики науки вважають першими творцями мікроскопа Ханса Янсена, його сина Захарію й Ханса Ліпперсхея з маленького містечка Мідделбурга. З опису створених ними інструментів, який у ті роки склав один допитливий дипломат, відомо, що вони мали приблизно сучасні розміри й незначно відрізнялися від сучасних пристроїв. Мікроскоп Янсенів мав довжину 0,45 м, діаметр 5 см і складався з трьох трубочок. У дві з них були вставлені передня лінза — об’єктив і задня — окуляр. Третя трубочка, у яку були вставлені дві інші, слугувала напрямною для взаємного переміщення лінз. Прилад був установлений на витонченій підставці, прикрашеній зображеннями трьох дельфінів.

Майстрам того часу не був властивий той голий раціоналізм техніки ще недавніх днів, що набив оскому вченим і зажадав введення в технічне конструювання естетичних критеріїв. Звичайно, «дизайн» XVII ст. разюче відрізнявся від сучасного художнього оформлення наукової апаратури, нерідко він переслідував і розважальні цілі, особливо коли який-небудь простий науковий прилад ставав іграшкою в багатих будинках. Але все-таки численні в ту пору ентузіасти-дослідники, та й майстри, що виготовляли прилади для них, не були байдужими до сприйняття краси. І пошуки поєднання «сухої» науки з «живою» естетикою, які велися вже в ті роки, не стільки викликають у нас поблажливу посмішку, скільки наводять на серйозні міркування про необхідність гармонії між наукою й мистецтвом.

Але повернемося до перших мікроскопів. Батько й син Янсени виготовили свій прилад із двох опуклих лінз. Подібні мікроскопи належать до так званого кеплерівського типу: уперше його описав німецький астроном Кеплер у своїй книзі «Діоптрика», що вийшла 1611р. Інструмент галілеївського типу (телескоп) складався з опуклого (збірного) об’єктива й увігнутого (розсіювального) окуляра, оскільки в основному був призначений для астрономічних спостережень. Використання його як мікроскопа, звичайно, не було неможливим, але в цій ролі він ставав незручним для роботи. Відстань між лінзами виявилася надмірно великою: перший «мікроскоп-телескоп» Галілея мав довжину труб близько 5 м. Щоправда, через якийсь час Галілей зменшив його розміри, довівши їх до «розмірів обіднього столу». Однаково, навіть при цьому він програвав у порівнянні з набагато компактнішими мікроскопами кеплерівського типу. Крім того, при зміні відстані між лінзами сильно зменшилося поле зору мікроскопа, тому мікроскоп галілеївського типу не дістав подальшого розвитку, хоча ще й в XIX ст. використовувався як «простий мікроскоп» для невеликих збільшень — у вигляді так званої лупи Брюкке. Її перевага полягає в тому, що завдяки порівняно великій відстані між предметом і об’єктивом можна легко маніпулювати предметом, наприклад, різати його на частини, не виводячи з установки для спостереження.

До речі, з розмірами перших мікроскопів пов’язане комічне непорозуміння. У старих книгах з оптики можна нерідко зустріти зображення величезних мікроскопів, перед якими на високій підставці, заглядаючи в окуляр, стоять або сидять спостерігачі. Таку ілюстрацію те можна було б віднести до першого інструмента Галілея, але ніяк не до компактних інструментів кеплерівського типу.

Це непорозуміння, швидше за все, пов’язане з тим, що ілюстратори перших книг з оптики не мали уявлення про справжні мікроскопи, а вчених мало турбувало таке перекручування дійсності. Малюючи ескізи для ілюстраторів, учені замість спостерігача давали умовне зображення людського ока. Ілюстратори ж, вважаючи, що це умовне зображення самого спостерігача, малювали на власний розсуд замість ока людську фігуру такого ж розміру!

Поки перед першими допитливими дослідниками дедалі ширше розкривався невидимий досі разючий світ малих істот і деталей будови звичних предметів, мікроскоп потроху вдосконалювався. Удосконалення мали різний характер, але переслідували одну мету: домогтися більшої зручності спостережень. У XVIII ст. був створений штатив, покращилася механіка переміщення трубочок з лінзами для легкого, точного й разом з тим стабільного наведення на фокус. Потім з’явилися предметний столик, спеціальні пристрої для освітлення предмета, нарешті, бінокулярний мікроскоп з одним об’єктивом.

Предмет, будучи поміщений у фокусі об’єктива або ще ближче до нього, не дає дійсного зображення, виходить, його потрібно відсунути подалі й розташувати на відстані, більшій від фокусної й меншій від подвійної фокусної відстані об'єктива. Тоді за подвоєною задньою фокусною відстанню об’єктива виникне справжнє збільшене перевернене зображення предмета. У свою чергу, це зображення розташовується ближче за фокусну відстань окуляра, що діє як лупа.

Загальне зображення, що дається обома лінзами, дорівнює добутку збільшень кожної з них: де ∆ — відстань від заднього фокуса об’єктива до переднього фокуса окуляра: f, і f2— фокусні відстані об’єктива й окуляра відповідно. Відстань часто називають оптичною довжиною тубуса (труби) мікроскопа.

Для спостереження проміжного зображення, що дається об’єктивом, потрібен окуляр досить великого діаметра. Деякі з перших мікроскопів мали форму, що нагадує дамські капелюшки-казанки,зі стовщенням на кінці, зверненим до ока, оскільки розміри окуляра істотно перевершували розміри об’єктива. Зменшити розміри окулярної лінзи дозволила винайдена голландським ученим Юйгенсом у XVII ст. тубусна лінза.

Тепер предмет поміщається у фокусі об’єктива, і з об’єктива виходить паралельний пучок променів, що не створює зображення. Воно з’являється, тільки коли пучок пройде через тубусну лінзу, у її задній фокальній площині. У цьому випадку, звичайно, оптична довжина тубуса втрачає свій сенс (вона дорівнює безкінечності). Замість неї у формулу для збільшення вводять фокусну відстань ту- бусної лінзи.

У сучасних мікроскопах оптична довжина тубуса зазвичай складає 0,15-0,20 м. Комбінуванням різних об’єктивів і окулярів домагаються різних збільшень. Так, при цілком доступних для виготовлення об’єктиві й окулярі з фокусними відстанями відповідно 1,5 • 10-3 і 10-2 м можна одержати збільшення мікроскопа до 2500 разів. Саме роздільна, двоступінчаста система збільшення обумовила найважливіші переваги мікроскопа перед лупою. Той самий предмет можна спостерігати при різних збільшеннях, не чіпаючи об’єктива й змінюючи тільки окуляри. Це особливо важливо при роботі з так званим імерсійним об’єктивом, коли між предметом і лінзою об’єктива знаходиться не повітря, а рідке середовище з високим показником заломлення, так що для заміни лінзи треба було б змінювати й спостережуваний препарат.

Мікроскоп дозволяє не тільки побачити, але й виміряти поміщений перед ним предмет. Для цього в площині, де розташовується предмет, поміщають об’єкт-мікрометр — скляну шкалу з поділками через кожні 10-5 м, а у фокальній площині окуляра — шкалу з поділками через кожні 10-4 м. Підрахувавши, скільки поділок m на зображенні об’єктивної шкали відповідає п поділкам окулярної шкали, можна визначити збільшення, що дається об’єктивом: M1 = 10 n/m. Потім відзначають, скільки поділок окулярної шкали n' займає зображення предмета або окремих його частин, і звідси знаходять справжній розмір предмета: l =0,1n'/М1.

І це ще далеко не всі переваги мікроскопа перед лупою. Для розширення можливостей спостереження оптика мікроскопа дозволяє маніпулювати світловими пучками, наприклад, поляризувати їх тощо. Лінзам, використовуваним у мікроскопі, як і будь-яким лінзам, властиві аберації. Маючи у своєму розпорядженні й об’єктив, і окуляр, можна взаємно компенсувати недоліки об’єктива недоліками окуляра. Це стало зрозуміло в XIX ст., коли з’явилася теорія лінзових аберацій.

Однак проблема одержання неперекрученого й виразного зображення предметів у мікроскопі виникла зразу ж з його появою. Луні спершу віддавали перевагу перед подвійним мікроскопом саме тому, що вона давала чіткіше зображення спостережуваних предметів. Яка користь у великому збільшенні, якщо при цьому не можна розібратися в тому, що, власне, збільшене! Інакше кажучи, постало питання про те, як поряд з великим збільшенням домогтися пристойної роздільної здатності мікроскопа.

Поступово накопичувався досвід. З’явилися перші складні, або склеєні, лінзи, у яких значною мірою вдалося поліпшити якість зображення. Було виявлено, що зображення стають виразнішими, якщо предмет освітлюють не вздовж осі мікроскопа, а під кутом до неї. Нарешті, усередині XIX ст. пригадали, вірніше «перевідкрили», старе відкриття Гука, який ще за два століття до того відзначив, що предмети в мікроскоп розглядаються чіткіше, якщо вони змочені рідиною. Виявили, що бічне

освітлення предмета розширює діапазон кутів, під якими світло входить в об’єктив, або, кажучи сучасною мовою, підвищує апертуру об’єктива. Але коли об’єктив був «сухим», тобто між покривним склом для предмета й передньою лінзою об’єктива знаходилося повітря, переваги збільшеної апертури майже цілком зводило нанівець посилення відбиття світла від периферичних ділянок лінз. Перевага заповнення цього повітряного проміжку рідиною полягала в тому, що рідина сильно послабляла відбиття світла.

Таким чином, емпіричним шляхом було знайдено багато цікавих конструкторських рішень. Однак знахідки в конструюванні об’єктивів не мали твердої теоретичної основи. Лише в 70-х рр. XIX ст. німецький фізик Аббе розробив теорію утворення зображення в мікроскопі.









загрузка...