Свойства ультразвуковых волн

КОЛЕБАНИЯ, ВОЛНЫ, ЗВУК

С колебаниями мы встречаемся при изучении самых различных физических явлений: звука, света, переменных токов, радиоволн, качаний маятников и т.д. И в организме человека колебательное движение встречается довольно часто. Это изменение температуры, давления, содержания форменных элементов крови и других биологических жидкостей, механические смещения сердца, легких, грудной клетки в процессе жизнедеятельности организма, электрические колебания в органах и тканях при их возбуждении и многие другие. Характеристики перечисленных колебаний могут регистрироваться без вмешательства в деятельность организма. Но, т.к. они непосредственно связаны с физиологическими процессами, происходящими в органах и тканях, то их используют в диагностических целях. Кроме того, на организм действуют внешние факторы: вибрация, колебания температуры и давления окружающей среды, лечебные воздействия, которые необходимо учитывать при профилактике, диагностике и лечении. Поэтому основные параметры и понятия колебательных процессов врачу необходимо знать.

Любые отклонения физического тела или параметра его состояния, то в одну, то в другую сторону от положения равновесия называется колебательным движением или просто колебанием.

Колебательное движение называется периодическим, если значения физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени.

Несмотря на большое разнообразие колебательных процессов, как по физической природе, так и по степени сложности, все они совершаются по некоторым общим закономерностям и могут быть сведены к совокупности простейших периодических колебаний, называемых гармоническими.

Гармоническими называются колебания, совершающиеся по закону sin или cos.

s=Asin(wt+j_о), s=Аcos(wt+j_o)

Они совершаются под действием квазиупругих сил, т.е. сил, пропорциональных смещению

F=-kx

Основными характеристиками колебаний являются:

1. Смещение (s) - это расстояние, на которое отклоняется колеблющаяся система в данный момент времени, от положения равновесия.

2. Амплитуда (А) - максимальное смещение.

3. Период (Т) - время одного полного колебания.

4. Линейная частота (n) - это число колебаний в единицу времени, измеряется в Гц - это одно колебание в сек. n=1/Т.

5. Циклическая или круговая частота (w). Она связана с линейной частотой следующей зависимостью: w=2pn.

6. Фаза колебания (j) характеризует состояние колеблющейся системы в любой момент времени: j=wt+j_0, j₀ - начальная фаза колебания.

Колебательный процесс можно представить графически в виде развернутой или векторной диаграммы.

Развернутая диаграмма представляет собой график синусоиды или косинусоиды, по которому можно определить смещение колеблющейся системы в любой момент времени.

Способ представления колебаний с помощью вращающегося вектора амплитуды называется векторной диаграммой. Проведем “опорную” ось ОХ, и построим вектор А, численно равный амплитуде колебания, направленный из точки О под углом j₀ к опорной оси, равным начальной фазе. S₀ выражает смещение в начальный момент времени t=0 (1). Будем вращать вектор вокруг оси О, перпендикулярной к плоскости чертежа, с угловой скоростью w против часовой стрелки. За промежуток времени t вектор амплитуды повернется на угол j=wt (2), а его проекция на опорную линию определится как s=Аcos(wt+j₀). За время равное периоду колебаний вектор повернется на угол 2p, а проекция его конца совершит одно полное колебание около положения равновесия О. Следовательно, вращающийся вектор амплитуды полностью характеризует колебательное движение в любой момент времени.

Большинство колебательных процессов в биологии и медицине являются не гармоническими, а сложными. Однако, любое сложное колебание можно представить в виде суммы гармонических. Это положение определяет специальный метод диагностики - спектральный анализ.

Совокупность гармонических составляющих, на которые разлагается сложное колебание, называется гармоническим спектром этого колебания.

Результирующее смещение тела, участвующего в нескольких колебательных движениях, получается как геометрическая сумма независимых смещений, которые тело приобретает, участвуя в каждом из слагаемых колебаний. При сложении гармонических колебаний результирующее колебание будет определяться частотой, амплитудой, фазой и направлением слагаемых колебаний.

Участвуя в двух гармонических колебаниях, происходящих в одном направлении с одинаковой частотой, тело совершает гармоническое колебание в том же направлении и с той же частотой, что и составляющие колебания.

Если составляющие колебания имеют одинаковые направления, но различные частоты, то результирующее колебание не гармоническое, но периодическое, с частотой наименьшей из составляющих.

Если точка участвует в двух колебаниях одинаковой частоты, направления которых перпендикулярны, то траектория колеблющейся точки представляет собой эллипс, форма которого зависит от соотношения амплитуд составляющих колебаний.

Если частоты слагаемых колебаний не совпадают, то траектории результирующего движения являются сложными петлеобразными кривыми, называемыми фигурами Лиссажу.

Колебания распределяются на следующие основные виды:

1. Свободные - это идеальные колебания, которые не существуют в природе, но помогают понять сущность других видов колебаний и определить свойства реальной колебательной системы. Они совершаются с собственной частотой, которая зависит только от свойств самой колеблющейся системы. Собственную частоту и период будем обозначать n₀ и Т₀.

2. Затухающие - это колебания, амплитуда которых со временем уменьшается, а частота не меняется и близка к собственной. Энергия в систему подается один раз. Уменьшение амплитуды за единицу времени характеризуется коэффициентом затухания b=r/2m, где r - коэффициент трения, m - масса колеблющейся системы. Уменьшение амплитуды за период характеризуется логарифмическим декрементом затухания d=bТ. Логарифмический декремент затухания - это логарифм отношения двух соседних амплитуд: d=lg(A_t/A_t+T).

З. Вынужденные - это колебания, которые совершаются под действием периодически изменяющейся внешней силы. Они совершаются с частотой вынуждающей силы. Явление резкого увеличения амплитуды колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте системы называется резонансом. Это увеличение будет зависеть от амплитуды вынуждающей силы, массы системы и коэффициента затухания.

4. Автоколебаниями называются незатухающие колебания, существующие в какой-либо системе при отсутствии переменного внешнего воздействия, а сами системы - автоколебательными. Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств самой автоколебательной системы. Автоколебательная система состоит из трех основных элементов: 1) собственно колебательная система; 2) источник энергии; 3) механизм обратной связи. Ярким примером такой системы в биологии является сердце.

Определим энергию тела массой m, совершающего свободные гармонические колебания с амплитудой А и циклической частотой w.

s=Аsin wt

Полная энергия складывается из потенциальной и кинетической энергии:

W=W_n+W_k

W_n=(ks²)^/2=((kA²)^/2)sin²wt, где k=mw²

W_k=(mu²)^/2, учитывая, что u=ds/dt=Aw cos wt

получим W_k=((mw²A²)/2)·cos² wt

Тогда полная энергия: W=(mw²A²)/2·(sin² wt+cos² wt)=(mw²A²)/2

Таким образом, полная энергия колеблющегося тела прямо пропорциональна массе, квадрату амплитуды, квадрату циклической частоты и не зависит от времени.

Возникновение колебаний в какой-либо точке пространства не является локальным процессом. Они передаются другим участкам, если между ними имеется механическая, электрическая или другая связь.

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волновым движением или просто волной.

Известны два вида волн: механические и электромагнитные. Механические волны распространяются только в упругих средах.

Механические волны делятся на два вида: поперечные и продольные.

Если колебания частиц совершаются перпендикулярно направлению распространения волны, то она называется поперечной.

Если, колебания частиц совпадают с направлением распространения волны, то она называется продольной.

Рассмотрим, основные характеристики волнового движения. К ним относятся:

1. Все параметры колебательного процесса (s, A, n, w, T, j).

2. Дополнительные параметры, характеризующие только волновое движение:

а) Фазовая скорость (n) - это скорость, с которой колебания распространяются в пространстве.

б) Длина волны (l) - это наименьшее расстояние между двумя частицами волнового пространства, колеблющихся в одинаковых фазах или расстояние, на которое распространяется волна за время одного периода.

Характеристики связаны между собой: l=с T, l=с/n

Колебательное движение любой частицы волнового пространства определяется уравнением волны. Пусть в точке О колебания совершаются по закону:

s=Аsin wt

Тогда в произвольной точке А закон колебаний:

S_А=sin w (t - Dt), где Dt=S/с=S/(ln), S_A=Аsin (2pnt – (2pnS)/(ln))

s=Asin (wt – (2ps)/l) - это уравнение волны. Оно определяет закон колебания в любой точке волнового пространства. 2px/l=j_о называется начальной фазой колебания в произвольной точке пространства.

3. Энергетические характеристики волны:

а. Энергия колебания одной частицы:

W=(mw²A²)/2

б. Энергия колебания всех частиц, содержащихся в единице объема волнового пространства, называется объемной плотностью энергии:

e=W₀/V, гдеW₀₌eV есть полная энергия всех колеблющихся частиц в любом объеме.

Если n_о - концентрация частиц, то e = n₀ W=n₀ mw²A^2/2, но n₀ m=r, тогда

e=(rw²A²)/2

Энергия колебания постоянно передается другим частицам по направлению распространения волны.

Величина, численно равная среднему значению энергии, переносимой волной в единицу времени через некоторую поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны, называется потоком энергии через эту поверхность.

P_s=W₀/t (Вт)

Поток энергии, приходящийся на единицу поверхности, называется плотностью потока энергии или интенсивностью волны.

J=P_s/S=W₀/(St) (Вт/м²)

Частным случаем механических волн являются звуковые волны:

Звуковыми волнами называются колебания частиц, распространяющихся в упругих средах в виде продольных волн с частотой от 16 до 20000 Гц.

Для звуковых волн справедливы те же характеристики, что и для любого волнового процесса, однако имеется и некоторая специфика.

1. Интенсивность звуковой волны называют силой звука.

J=P_s/S (Вт/м²)

Для этой величины приняты специальные единицы измерения - Белы (Б) и децибелы (дцБ). Шкала силы звука, выраженная в Б или дцБ, называется логарифмической.

Для перевода из системы СИ в логарифмическую шкалу используется следующая формула:

J(Б)=Lg (J/J₀) (Вт/м²)

где J₀=10^-12 Вт/м² - некоторая пороговая интенсивность.

Пример: Пусть J=10^{- 9} Вт/м², тогда J(Б)=Lg10^-9/10^-12=3Б=30 дцБ.

2. Для описания звуковых волн используется величина, которая называется звуковым давлением.

Звуковым или акустическим давлением называется добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды) в местах наибольшего сгущения частиц в звуковой волне.

В системе СИ оно измеряется в Па, а внесистемной единицей является 1акустический бар=10^-1Па.

3. Важное значение имеет так же форма колебаний частиц в звуковой волне, которая определяется гармоническим спектром звуковых колебаний (Dn).

Все перечисленные физические характеристики звука называются объективными, т.е. не зависящими от нашего восприятия. Они определяются с помощью физических приборов.

Наш слуховой аппарат способен дифференцировать (различать) звуки по высоте тона, тембру и громкости. Эти характеристики слухового ощущения называются субъективными. Изменение в восприятии звука на слух всегда связано с изменением физических параметров звуковой волны.

Высота тона определяется главным образом частотой колебаний в звуковой волне и незначительно зависит от силы звука. Чем больше частота, тем выше тон звука. В этом отношении диапазон звуков, воспринимаемых слуховым аппаратом, делится на октавы: 1 - (16-32) Гц; 2 - (32-64) Гц; 3 - (64-128) Гц; и т.д., всего 10 октав.

Если колебания частиц в звуковой волне гармонические, то такой тон звука называется простым или чистым. Такие звуки дают камертон и звуковой генератор.

Если колебания не гармонические, но периодические, то такой тон звука называется сложным. (Пример: одна нота на рояле).

Если сложные звуковые колебания не периодически меняют свою интенсивность, частоту и фазу, то такой звук принято называть шумом.

Сложные тона одной и той же высоты, в которых форма колебаний различна, по разному воспринимаются человеком (например, одна и та же нота на различных музыкальных инструментах). Это различие в восприятии носит название тембра звука. Он определяется спектром частот гармонических колебаний, из которых состоит сложный звук.

Громкость восприятия звука зависит главным образом от силы звука, а так же от частоты. Эта зависимость определяется психофизическим законом Вебера-Фехнера:

При возрастании силы звука в геометрической прогрессии (J,J², J³,...) ощущение громкости на одной и той же частоте увеличивается в арифметической прогрессии (Е, 2Е, ЗЕ,...).

Е=k Lg (J/J₀)

где k - коэффициент, зависящий от частоты звука. Громкость измеряется также как и сила звука в Белах (Б) и децибелах (дцБ). ДцБ громкости называется фоном (Ф) в отличии от дцБ силы звука.

Условно считают, что для частоты 1000 Гц, шкалы громкости и силы звука полностью совпадают, т.е. k=1.

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук с громкостью звука на частоте 1000 Гц. Для этого пользуются кривыми равной громкости, построенными на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых этим методом.

 

Использование звуковых методов в диагностике.

1. Аудиометрия - метод измерения остроты слуха по восприятию стандартизированных по частоте и интенсивности звуков.

а) Исследование органов слуха с помощью аудиометра - генератора, в котором плавно или дискретно меняются частота и интенсивность звука. По данным исследования строится график зависимости силы звука от частоты (кривые равной громкости). Наиболее часто используется порог слышимости - минимальная интенсивность, при которой слышен звук на данной частоте. Эту кривую, сняв у конкретного пациента, сравнивают со среднестатистической для многих здоровых людей.

б) Исследование слуха с помощью камертонов.

в) Исследование этими методами по воздушной и костной проводимости.

г) Исследование шепотной речью.

д) Исследование с помощью звуков, воспроизведенных магнитофоном.

е) Изучение реакции на звук по ЭЭГ.

2. Аускультация - выслушивание звуков, возникающих при работе различных органов, (сердца, легких, кровеносных сосудов и др.) в норме и патологии с диагностическими целями. Для этого используются стетоскоп, фонендоскоп, микрофон, магнитофон. В клинической практике широко используется фонокардиография (ФКГ) - графическая регистрация тонов и шумов сердца.

3. Перкуссия - выслушивание звучания отдельных частей тела при их простукивании. При ударе о поверхность тела возникает звуковая волна, гармонический спектр которой имеет широкий диапазон. Во внутритканных полостях возникают резонансные явления, которые изменяют тембр и громкость звучания в зависимости от размеров и положения этих полостей. Опытный врач по изменению звучания определяет состояние обследуемого органа (воспаление в мягких тканях, трещины и переломы в твердых тканях и т.д.).

4. В последние годы в практическом здравоохранении получили широкое распространение ультразвуковые методы исследования.

Ультразвук - это процесс распространения, колебаний в упругой среде в виде продольных волн с частотой свыше 20 кГц.

Ультразвук получают с помощью специальных аппаратов, основанных на явлениях магнитострикции - при низких частотах и обратном пьезоэлектрическом эффекте - при высоких частотах.

Магнитострикция - это изменение продольных размеров ферромагнитного стержня при воздействии на него высокочастотным (20-100 кГц) магнитным полем.

Амплитуда колебаний, а, следовательно, и сила звука определяются напряжением и размерами стержня (явление резонанса). При подключении переменного напряжения, к катушке торцевые плоскости стержня колеблются с частотой переменного напряжения.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров пьезодиэлектрика под воздействием на него высокочастотным (свыше 100 кГц) электрическим полем.

Закономерности излучения те же, что и при магнитострикции.

 

МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Развитие современной медицины обусловлено в большой степени использованием методов, в основе которых лежат электронные приборы и устройства. Поэтому для грамотного управления и правильного использования электронной диагностической и лечебной аппаратуры профессиональное образование врача ставит своими задачами:

1. Изучение медико-биологических и технических характеристик объекта исследования.

2. Физико-технических характеристик электронных устройств, применяемых в медицине.

В курсе нашей дисциплины для частичного решения указанных задач введен раздел “Медицинская электроника”.

Медицинская электроника - это область электротехники, которая занимается разработкой, изготовлением и эксплуатацией электронных приборов для диагностики, лечения и профилактики заболеваний.

Классификация диагностической и лечебной аппаратуры представленана рис. 1.3.1. В этой последовательности мы и будем ее рассматривать в нашем курсе.

 

Законы отражения

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной средой.

  Границей двух сред называется поверхность, разделяющая две оптически неоднородные среды.

Угол a между лучом падающим и перпендикуляром, восстановленным к границе двух сред в точке падения, называется углом падения.

Угол b между лучом отраженным и перпендикуляром, восстановленным к границе раздела двух сред в точке падения, называется углом отражения (рис.1.4.1а).

I закон: Луч падающий, перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред в точке падения, и луч отраженный лежат в одной плоскости.

II закон: Угол падения равен углу отражения: a=b

Различают отражения зеркальное и диффузное. Зеркальным называется отражение, при котором падающий на поверхность параллельный пучок лучей остается параллельным. Диффузным называется отражение, при котором падающий параллельный пучок лучей рассеивается.

 

Законы преломления.

На границе двух сред, кроме отражения, наблюдается преломление света - явление, состоящее в том, что луч частично проходит во вторую среду, изменяя свое первоначальное направление. Этот луч называется преломленным.

Угол g между лучом преломленным и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения называется углом преломления(рис.1.4.1б).

I закон: Луч падающий, перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред в точке падения, и преломленный луч лежат в одной плоскости.

II закон: Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды относительно первой:

Sina/Sing=const=n₂₁

Показатель преломления какой-либо среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления (n).

Если угол падения больше угла преломления, то вторая среда называется оптически более плотной, чем первая.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду угол падения a будет меньше угла преломления g (рис. 1.4.2а). Поэтому, при некотором угле падения (a_пр) угол преломления окажется равным 90° (рис. 1.4.2б), т.е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред, не входя во вторую среду.

При дальнейшем увеличении a свет будет полностью отражаться в первую среду. Это явление носит название полного внутреннего отражения света. Угол a_ПР называется предельным падения.

Sin a_пр/Sin 90°=n₂/n ₁₌n₂₁, откуда Sin a_пр=n₂₁

Исходя из этих соотношений, можно определять относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель другой среды известен. Оптический прибор, служащий для этой цели и основанный на явлении полного внутреннего отражения, называется рефрактометром (см. Эссаулова И. А. и др.).

 

Линзы

Для изменения направления световых лучей в оптических системах широко используют линзы (от латинского слова Lens - чечевица).

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, и по показателю преломления отличающееся от окружающей среды.

Мы будем рассматривать только тонкие линзы, толщина которых пренебрежимо мала в сравнении с радиусами сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Принято считать, что в таких линзах преломление лучей происходит в одной плоскости (ПП), которая называется преломляющей (рис.1.4.3б).

Прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу, (SS ’) называется главной оптической осью (рис.1.4.3а).

Точка пересечения главной оптической оси с преломляющей плоскостью называется оптическим центром линзы (О).

Любая прямая, проходящая через оптический центр линзы, называется оптической осью (АА) рис.1.4.3 б.

Лучи, параллельные главной оптической оси, после преломления в линзе собираются в одной точке, называемой главным фокусом линзы (F) рис.1.4.4 а. Точка пересечения оптической оси с фокальной плоскостью называется побочным фокусом (F¢).

Такие линзы называются собирающими. Параллельный пучок лучей после преломления в линзе может рассеиваться, тогда в одной точке, называемой мнимым фокусом, соберутся продолжения этих лучей. Такие линзы называются рассеивающими (рис.1.4.4 б).

Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через главный фокус линзы, называется фокальной плоскостью (рис.1.4.4.а,б).

В собирающих линзах изображение зависит от положения предмета. Если предмет находится между оптическим центром линзы и главным фокусом, то изображение будет мнимым, прямым и увеличенным (рис.1.4.5а).

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом, изображение - действительное, обратное, увеличенное (рис.1.4.5б).

Если предмет находится между двойным и тройным фокусом и далее, изображение - действительное, обратное, уменьшенное (рис.1.4.5.в).

Рассеивающие линзы всегда дают мнимое, прямое и уменьшенное изображение (рис.1.4.5 г).

Расстояние от оптического центра линзы до главного фокуса называется фокусным расстоянием F. Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы:

D=/1F

Измеряется оптическая сила линзы в диоптриях (дптр).

Одна диоптрия - это оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м.

У собирающих линз она положительна, у рассеивающих отрицательна.

На практике, для определения фокусного расстояния и оптической силы линзы используют формулу тонкой линзы: D=1/F=1/d+1/f, где d - расстояние от предмета до линзы, f - расстояние от линзы до изображения.

Изображения, полученные с помощью одной линзы, как правило, отличаются от самого предмета. В этом случае говорят об искажении изображения.

Ниже рассматриваются основные виды искажений и способы их устранения.

Сферическая аберрация возникает потому, что края линзы отклоняют лучи сильнее, чем центральная часть (рис.1.4.6а).В результате, изображение светящейся точки на экране получается в виде расплывчатого пятна, а изображение протяженного предмета становится не резким, размытым. Для устранения сферической аберрации используют центрированные оптические системы, состоящие из собирающих и рассеивающих линз.

Центрированной называется система линз, имеющих общую главную оптическую ось.

Хроматическая аберрация обусловлена дисперсией света, так как линзу можно представить в виде призмы. В этом случае фокусное расстояние для лучей различной длины волны оказывается неодинаковым рис 1.4.6б. Поэтому при освещении предмета сложным, например белым светом, точка на экране будет видна в виде окрашенного пятна, а изображение протяженного предмета будет также окрашенным и нерезким. Хроматическую аберрацию можно исключить, комбинируя собирающие и рассеивающие линзы, сделанные из стекол различных сортов, обладающих разными относительными дисперсиями. Такие системы линз называются ахроматами.

Причиной астигматизма является неодинаковое преломление лучей в различных меридиональных плоскостях линзы. Различают два вида астигматизма. Первый, так называемый, астигматизм наклонных лучей, возникает в линзах, имеющих сферическую форму поверхности, но лучи падают на линзу под значительным углом к главной оптической оси. В этом случае лучи во взаимно перпендикулярных плоскостях преломляются неодинаково (рис.1.4.6 в) и точка на экране будет видна как линия, а у протяженного предмета искажается форма, например, квадрат будет виден как прямоугольник. Второй вид астигматизма, правильный, возникает при отклонении поверхности линзы от сферической (рис.1.4.6г), когда по различным меридиональным плоскостям неодинаковый радиус кривизны, т.е. форма поверхности в этой плоскости не является сферической. Астигматизм наклонных лучей устраняется поворотом линзы к изображаемому предмету. Правильный астигматизм устраняется путем подбора радиусов кривизны и оптических сил преломляющих поверхностей. Это чаще всего цилиндрические линзы. Оптическую систему, исправленную кроме сферической и хроматической аберраций также и на астигматизм, называют анастигматом.

 

Микроскоп.

Для наблюдения малых объектов, не видимых вооруженным глазом, применяется микроскоп - оптическая система, состоящая в простейшем случае из короткофокусной собирающей линзы (объектива) и длиннофокусной собирающей линзы (окуляра).

Микроскоп состоит из механической части (основание, микрометрический механизм, предметный столик, револьвер с объективами) и оптической системы, которая также делится на две части: осветительную и наблюдательную. В осветительную часть входят зеркало или осветитель, конденсор с диафрагмой и съемный фильтр, а в наблюдательную - объектив и окуляр, соединенные в тубусе микроскопа.

Рассмотрим ход лучей в микроскопе (рис.1.4.7).

Предмет АВ помещается на расстоянии d₁ немного большем фокусного расстояния объектива (F_ОБ). Действительное, увеличенное и перевернутое изображение А₁В₁, даваемое объективом, получается на расстоянии d₂ от окуляра, немного меньшим фокусного расстояния окуляра F_ОК. Это промежуточное изображение рассматривается окуляром как предмет. Окуляр дает изображение А₂В₂ мнимое, увеличенное, прямое по отношению к А₁В₁. В результате микроскоп дает мнимое, увеличенное и перевернутое (относительно предмета АВ) изображение, находящееся от окуляра на расстоянии L (O₂B₂), называемое расстоянием наилучшего зрения (для нормального глаза L=25 см).

Расстояние D = F ₁ F ₂ между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра называется оптической длиной тубуса микроскопа.

 

Увеличение объектива выражается формулой: Г _об=D/F_об

Для окуляра: Г _ок=L/F_ок

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра: Г_м=Г_об·Г_ок=(DL)/(F_об·F_ок)

В зависимости от характера и свойств изучаемого препарата, в микроскопии применяются специальные методы наблюдения.

Метод светлого поля в проходящем свете применяется при исследовании прозрачных препаратов с включенными в них поглощающими частицами и деталями. Пучок лучей, проходя через препарат, дает равномерно освещенное поле в плоскости изображения. Если в препарате имеется поглощающий свет объект, то он частично рассеивает его, что и обуславливает возникновение изображения. Метод светлого поля в отраженном свете применяется для наблюдения непрозрачных объектов.

Метод темного поля в проходящем свете применяется в биологии, главным образом, для получения изображений непрозрачных объектов. Пучок лучей, освещающих препарат, не попадает непосредственно в объектив. Изображение создается только светом, рассеянным микрочастицами. В поле зрения на темном фоне видны изображения частиц, отличающихся от окружающей среды по показателю преломления. Метод темного поля в отраженном свете осуществляется освещением непрозрачного препарата сверху специальной системой, расположенной вокруг объектива.

Метод наблюдения в поляризованных лучах применяется в проходящем и отраженном свете для исследования под микроскопом объектов, обладающих двойным лучепреломлением. Препарат освещается поляризованным светом. Видоизмененный поляризованный свет, прошедший через препарат, изучается с помощью анализаторов и компенсаторов различного устройства.

Метод фазового контраста служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при обычных методах микроскопии. Метод основан на том, что показатели преломления объекта и среды различны, вследствие чего световая волна, прошедшая сквозь объект, претерпевает изменения по фазе и приобретает, так называемый “фазовый рельеф". Эти фазовые изменения преобразуются специальным фазово-контрастным устройством в изменения амплитуд, что приводит к ослаблению или усилению интенсивности света, прошедшего через объект. В результате получается видимое контрастное изображение структуры препарата, в котором распределение яркостей (амплитуд) воспроизводит указанный выше фазовый рельеф.

Метод микропроекции и микрофотографии применяется для наблюдения или исследования изображения объекта на экране или на фотоматериале. При этом, чтобы получить действительное изображение объекта, с помощью специальных устройств увеличивают длину тубуса микроскопа так, что промежуточное изображение А₁В₁ находится немного дальше переднего фокуса окуляра (см. рис. 1.4.7), а изображение (действительное, обратное и увеличенное) получается за окуляром на экране или фотопленке.

Оптическая система глаза.

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в оптике особое место. Это объясняется, во-первых, тем, что многие оптические инструменты рассчитаны на зрительное восприятие, во-вторых, глаз человека (и животного), как усовершенствованная в процессе эволюции биологическая система, приносит некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем.

Глаз может быть представлен как центрированная оптическая система, образованная роговицей (Р), жидкостью передней камеры (К) и хрусталиком (Х), ограниченная спереди воздушной средой, сзади - стекловидным телом (рис.1.4.8). Главная оптическая ось (ОО) проходит через оптические центры роговицы и хрусталика. Кроме того, различают еще зрительную ось глаза (ЗО), которая определяет направление наибольшей светочувствительности и проходит через центры хрусталика и желтого пятна (Ж). Угол между главной оптической и зрительной осями составляет около 5’.

Основное преломление света происходит на внешней границе роговицы, оптическая сила которой равна приблизительно 40 дптр, хрусталика - около 20 дптр, а всего глаза - около 60 дптр.

Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называют аккомодацией.

У взрослого здорового человека при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряжения и благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирует именно на это расстояние, называемое расстоянием наилучшего зрения.

Для характеристики разрешающей способности глаза используют наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета.

В медицине разрешающую способность глаза оценивают остротой зрения. За норму остроты зрения принимается единица, в этом случае наименьший угол зрения равен 1’.

 

Фотоэффект

Влияние света на протекание электрических процессов было впервые описано Герцем (1887 г.), который заметил, что электрический разряд между заряженными цинковыми шариками значительно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовым светом. Дальнейшее подробное изучение влияния света на заряженные тела было проведено в период с 1888 по 1890 г. профессором Московского университета А.Г. Столетовым. Это явление он назвал актиноэлектрическим. В настоящее время оно называется фотоэффектом.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием различного вида излучений.

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним. Если же электроны теряют связь только со своими атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества, увеличивая тем самым электропроводность, то фотоэффект называется внутренним. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов, а внутренний чаще всего у полупроводников.

Экcпериментальные исследования, выполненные А.Г. Столетовым, а так же другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

I закон:

Фототок насыщения J (т.е. максимальное число электронов, освобождаемых светом в 1с) прямо пропорционален световому потоку Ф.

J=кФ

где к - коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью освещаемой поверхности и измеряется мкА/лм.

 

II закон:

Скорость фотоэлектронов пропорционально возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

IIIзакон:

Независимо от интенсивности света, фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света или максимальной длине волны, называемой красной границей фотоэффекта.

 

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светово