Презентація на тему:
“Медична і біологічна фізика”

“Медична і біологічна фізика” під загальною редакцією члена–кореспондента АПН України, професора О.В. Чалого

ОПТИЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕДИКО- БЮЛОПЧНИХ СИСТЕМ (том 2 розділ 8 ст. 148 – 231 мова українська)

Роботу виконала Учениця 11В класу 5гр. УМЛ НМУ ім. О.О. Богомольця Лапутько Наталія Керівник: Лялько Віра Іванівна

Анотація Я Лапутько Наталія навчаюсь у УМЛ НМУ ім. О.О. Богомольця В 11В класі. Мрію поступити до Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця і стати хорошим провізором. Займаюсь плаванням, вже здобула ІІ юнацький розряд який і підтверджувала протягом двох років. Також полюбляю колекціонувати монети. Маю досягнення у МАН, у 2009 році зайняла ІІІ місце на ІІ (міському) етапі Всеукраїнського конкурсу науково - дослідницьких робіт учнів – членів МАН по секції екологія рослин виконавши роботу на тему: “Вплив людини на екологію рослинного світу”, у 2010 році ІІ місце на ІІ (міському) етапі Всеукраїнського конкурсу науково - дослідницьких робіт учнів – членів МАН по цій же секції зайняла ІІ місце робота на тему ”Біологічний цикл розвитку рослин та вплив на них людини”. А також у цьому році зайняла ІІІ місце на ІІ (міському) етапі Всеукраїнського конкурсу науково - дослідницьких робіт учнів – членів МАН по секції валеологія, по роботі на тему “Вплив фізичної культури на подовження життя людини”. У розділі оптичні методи дослідження медико – біологічних систем йдеться про Інтерференцію світла, дифракцію світла. Геометричну оптику, поляризацію світла, взаємодію світла з речовиною, фізичні основи термографії, закони теплового випромінювання та біологічні основи зорової рецепції.

ДЛЯ РОЗРОБКИ ПРЕЗЕНТАЦІЇ ВИКОРИСТОВУВАЛА ТАКІ ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ: Microsoft Office, Power Point 2007 – для створення самої презентації Microsoft Office World – текстовий редактор, за допомогою якого я створила формули та графік у даній презентації Paint – для редагування фотографії Програвач Windows Media – для забезпечення музичного супроводу презентації Обсяг презентації: 3,45 МБ

ПЛАН Оптика Геометрична оптика Фізіологічна оптика Фізична оптика:квантова оптика, хвильова оптика Інтерференція світла Умова гасіння світла Дифракція світла. Дифракція на щілині в паралельних променях. Дифракційна решітка. Голографія та її застосування в медицині. Геометрична оптика Ідеальна центрована оптична система Похибки оптичних систем Оптична мікроскопія Поляризація світла Поляризація світла при відбиванні та заломленні Поляризація при подвійному променезаломленні в кристалах Поляризація світла при проходженні крізь поглинаючі анізотропні речовини

ПЛАН Закон Кірхгофа Закон випромінювання Планка Закон Стефана-Больцмана Закон зміщення Віна Випромінювання Сонця Фізичні основи термографії Інфрачервоне випромінювання Ультрафіолетове випромінювання Закон Кірхгофа Закон випромінювання Планка Закон Стефана-Больцмана Закон зміщення Віна Випромінювання Сонця Фізичні основи термографії Інфрачервоне випромінювання Ультрафіолетове випромінювання Лабораторна робота “Вивчення мікроскопа та вимірювання мікрооб’єктів” Лабораторна робота “Визначення концентрації розчинів рефрактометричним методом”

Оптика – це наука про світло та його взаємодію з речовиною

Оптика: Геометрична Фізіологічна Фізична

Геометрична оптика вивчає закони поширення світла з урахуванням відбивання і заломлення світлових пучків на межах різних середовищ

Фізіологічна оптика має своїм предметом дослідження зорового сприйняття, від процесів, що відбуваються в сітківці ока, до формування зображень в головному мозку

Фізична оптика вивчає природу світла та світлових явищ, поділяється на квантову оптику, хвильову оптику, кристалооптику, металооптику, електрооптику тощо

Квантова оптика

Хвильова оптика досліджує такі явища як інтерференція, дифракція, дисперсія та інші, де проявляється хвильова (електромагнітна) природа світла

Інтерференція світла Закон за яким в деякій точці А, що розташована на відстані х від джерела хвилі, змінюється з часом напруженість електричного поля

Інтерференція монохроматичних світлових хвиль від двох джерел

Енергія в одиниці об’єму: навколо точки А, що розрахована по результуючій напруженості навколо точки B, що розрахована по результуючій напруженості

Інтерференція світла - додавання кількох світлових хвиль, внаслідок якого утворюється чергування світлих та темних дільниць

Інтерференція від двох когерентних світлових джерел Фази векторів в будь-якій точці залежать від відстаней цієї точки до джерел світла ,

Умова гасіння світла: значення В точках, де аргумент косинуса дорівнює непарній кількості , тобто , а , маємо:

Умова підсилення світла: Розташування точок, в яких амплітуда сумарної напруженості Е має максимум, визначається умовою: звідки

При поширенні хвиль 1 і 2 в різних середовищах до точки, в якій спостерігалася інтерференція: Умова гасіння виглядатиме так: Умова підсилення виглядатиме так:

Оптична довжина шляху - добуток геометричного шляху на показник заломлення (xn) Оптична різниця ходу – величина інтерферуючих хвиль

Когерентні світлові хвилі - світлові хвилі однакової довжини та поляризації, що надходять у певну точку з незмінною в часі різницею фаз

Два різних джерела не дають когерентні хвилі оскільки: збудження елементарних джерел світла відбувається хаотично і фази випромінюваних ними хвиль змінюються також хаотично; час випромінювання монохроматичної хвилі:

Когерентність світлових променів можна здійснити такими способами: за допомогою дзеркала Ллойда і подвійного дзеркала Френеля за допомогою біпризми Френеля, у якій світло спрямовують на дві тонкі скляні призми, склеєні основами за допомогою тонких плівок, на поверхнях яких інтерферують відбиті та заломлені хвилі

Доводи Лапутоко Наталії: умова амплітуд (гасіння двох хвиль відбувається тоді, коли амплітуди хвиль однакові), виконується при: умова фаз (гасіння двох хвиль відбувається тоді, коли ці хвилі мають різницю ходу λ/2 або різницю фаз, що дорівнює π)

Інтерферометри - вимірювальні прилади, які використовують принцип інтерференції світла, застосовуються для вимірів з високим ступенем точності показників заломлення, довжини хвиль, для визначення якості поверхонь

Дифракція світла Огинання світловою хвилею границь непрозорих тіл з утворенням інтерференційного перерозподілу енергії по різних напрямках називають – дифракцією світла.

Якщо на шляху світлової хвилі розташовані непрозорі тіла або з отворами, то за ними утворюється область тіні, котру можна окреслити геометрично, вважаючи, що промені – прямі лінії(рис.8.6.)

Кут, на який відхиляються промені дифрагуючої хвилі від початкового напрямку, називається кутом дифракції φ. (рис8.7)

Дифракція на щілині в паралельних променях. 8.2.1. Під час перпендикулярного падіння світла на площину щілини шириною α всі точи фронту хвилі АВ коливаються в однаковій фазі. Тому промені, які не змінили свого напрямку, не мають різниці ходу і, фокусуючись лінзою в точці Ο екрана, дають максимум освітленості. (рис.8.9.)

Дифракційна решітка Дифракційна решітка – оптичний пристрій, що становить сукупність великої кількості паралельних вузьких щілин. Формула дифракційної решітки d sinφ – κλ, де κ порядок максимуму (κ=0,1,2,...).

d=α+b – період дифракційної решітки. При падінні світла на дифракційну решітку у всіх щілинах виникають вторинні когерентні хвилі, які внаслідок дифракції утворюють в фокальній площині лінзи інтерференційну картинку, що складається із великої кількості максимумів і мінімумів різної інтенсивності.(рис.8.10.)

Згідно з принципом Релея, дві спектральні лінії розрізняються, якщо максимум однієї лінії співпадає з найближчим мінімумом іншої лінії або знаходиться на більшій відстані від нього. (рис.8.11.)

Голографія та її застосування в медицині. Голографія – метод запису та відновлення об’ємного зображення, який базується на явищах інтерференції та дифракції.

Принцип голографії вперше запропонував англійський фізик Д. Габер в 1948 році. Реалізація стала можливою лише в 60-х роках після створення лазера – джерела когерентного випромінювання.

Принцип утворення та відтворення голографічного зображення.

Об’ємне зображення вміщує більше інформації, ніж плоске, а тому має широкі перспективи застосування в медицині (голографічний гастроскоп). Голограму, отриману в ультразвукових хвилях, можна відновити видимим світлом. Це відкриває широкі можливості застосування ультразвукової голографії для розглядання внутрішніх органів з діагностичною метою.

Геометрична оптика (граничний випадок хвильової оптики за умови дуже малої довжини хвилі) – розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світла в прозорих середовищах на підставі уявлень про світловий промінь, як про лінію, вздовж якої поширюється світлова енергія. В геометричній оптиці хвильовий характер світла не враховується.

Згідно з теорією оптичних систем, яка була розроблена німецьким математиком Гауссом, ідеальною оптичною системою є система, в якій зображення є подібним предмету, тобто будь-якій точці чи лінії простору предметів відповідає тільки одна точка чи лінія простору зображень. Такі точки та лінії називаються спряженими.

Система сферичних поверхонь (лінз) називається центрованою, якщо центри всіх сферичних поверхонь лежать на одній прямій, яка має назву головної оптичної вісі системи. Промені, що поширюються поблизу головної оптичної вісі, звуться параксіальними.

Аналогічно, кожній площині простору предметів (об'єктів) повинна відповідати спряжена площина простору ображень. Таким чином, теорія ідеальних оптичних систем є чисто геометричною теорією, яка встановлює зв'язок між точками, лініями і площинами. Ідеальною оптичною системою з достатнім ступенем точності можна вважати центровану, якщо обмежитись областю поблизу вісі симетрії - головної оптичної вісі.

Нехай ММ і РР - крайні сферичні поверхні, що обмежують нашу систему, О1О2 - її головна вісь, n1n2 — показники заломлення середовищ (рис. 8.13). З променем А1 паралельним О1О2, спряжений промінь А2, який проходить через точку F2 (згідно з властивостями ідеальної системи). Візьмемо інший промінь О1 вздовж головної оптичної осі. Спряжений з ним промінь О2 йтиме також вздовж головної осі.

Точка Р2 — точка перетину двох променів А2 і О2, є зображенням точки, в якій перетинаються промені А1 і О1, спряжені з А2 і О2. Оскільки А1 паралельний О1, то точка, що спряжена з F2, лежить на нескінченності. Таким чином, точка F2 - це фокус даної системи, розташований в просторі зображень. Аналогічно променю В2 спряжений промінь В1, який проходить через передній фокус системи F1.

Площина, яка проходить через фокус перпендикулярно О1 О2, називається фокальною. Через С1 і С2 проведемо площини перпендикулярно до головної оптичної вісі, які перетнуть її в точках Н1 і Н2. Ці точки також є спряженими і називаються головними точками. Площини, які проходять через ці точки перпендикулярно головної оптичної вісі, називаються головними площинами.

Головні точки і фокуси називаються ще кардинальними точками ЦОС, а площини, які проходять через них і перпендикулярні О1О2- кардинальними площинами. Існує також ще одна пара кардинальних точок N1 і N2, які називаються вузлові, або недальні. Їх особливість полягає в тому, що спряжені промені, які проходять через ці точки, мають однаковий кут нахилу до оптичної вісі.

Відстань від головних точок до фокусів називається фокусною відстанню системи: [F1H1]=ƒ1, [F1H2]=ƒ2

Можна навести такі формули, які пов'язують положення предмета і його зображення: ƒ1/a1+ƒ2/a2=1 ƒ1/n1=ƒ2/n2 де а1 і a2 - відстані від предмета до головної площини простору предметів і від головної площини простору зображень до зображення предмета відповідно, ƒ1 і ƒ2 - фокусні відстані, а n1 і n2 - показники заломлення середовищ.

Важливим елементом оптичних систем, які утворюють зображення предмета, є оптична діафрагма - це отвір у непрозорому тілі, який обмежує ширину пучка світлових променів, центр якого лежить на головній вісі оптичної системи. Діафрагма, яка найбільш сильно обмежує світловий пучок (незалежно від місця її знаходження в оптичній системі), називається апертурною діафрагмою.

Аперутною діафрагмою може служити край чи оправа лінзи, наприклад, об'єктива. Ця діафрагма обмежує ширину оптичних пучків, а також не пропускає в оптичну систему промені, що падають на лінзу під великими кутами до головної оптичної вісі. Вона підвищує чіткість зображення і сприяє усуненню аберацій та, водночас, обмежує кількість світлових променів, які попадають в оптичну систему, тобто зменшує яскравість зображення.

Якщо для формування зображення в лінзі використовуються вузькі світлові пучки, що падають на лінзу під невеликими кутами (параксіальні пучки), і відсутня дисперсія, то зображення буде геометрично вірним і чітким. На практиці ці умови реалізуються далеко не завжди і це спонукає до того, що в зображеннях, які утворює лінза, спостерігаються різні похибки чи недоліки, які називаються абераціями.

Основні аберації лінз (чи оптичних систем): -1) при широких пучках - сферичні аберації і дисторсія; -2) при пучках, що падають на лінзу під значними кутами -астигматизм і кривизна поля; -3) хроматична аберація, яка пов'язана з дисперсією. Сферична аберація викликана тим, що краї лінзи внаслідок великої кривизни поверхні заломлюють промені сильніше, ніж центральна частина. Через це головні фокуси для крайніх і центральних променів не співпадають.

Дисторсія зумовлена тим, що лінійні збільшення лінзи для точок предмета, які знаходяться на різних відстанях від головної оптичної вісі, дещо відрізняються і тому прямі контури предмета, який лежить у площині, перпендикулярній до головної оптичної вісі, набувають форми дуг.

Щоб позбавитись цих аберацій, можна зробити світловий пучок вужчим за допомогою діафрагми (при цьому зменшується яскравість зображення) або доповнити дану лінзу іншими, аберації яких мають протилежний характер (наприклад, поєднання збираючої лінзи з розсіювальною).

Кривизна поля полягає в тому, що фокуси паралельних променів, які падають на лінзу під значними кутами до У головної вісі, не лежать у фокальній площині і зображенням на плоскому екрані має різну чіткість у різних місцях. Астигматизм виникає внаслідок неоднакового заломлення променів, що проходять крізь лінзу в різних меридіональних площинах. В оптичних приладах це спостерігається у разі падіння променів на лінзу правильної сферичної форми під значними кутами до головної вісі.

Астигматизм може спостерігатися також і при прямому падінні променів на лінзу, якщо остання має відхилення від правильної сферичної форми (один із недоліків оптичної системи ока). Частіше зустрічається правильний астигматизм, при якому найбільша різниця в заломленні променів спостерігається у двох взаємно-перпендикулярних меридіональних площинах.

Для виправлення астигматизму, особливо правильного, часто застосовуються лінзи, обмежені циліндричними поверхнями. Системи, які виправлені на астигматизм, називаються астигматами.

Хроматична аберація зумовлена залежністю показника заломлення від довжини хвилі, тобто від кольору світлової хвилі (явище дисперсії). В результаті виникає спотворення, внаслідок якого навіть для параксіальних променів немонохроматичний пучок має цілу сукупність фокусів. Для усунення даного типу аберацій використовуються сорти скла з різними показниками заломлення і різною дисперсією. Такі системи називаються ахроматичними.

Мікроскоп являє собою ЦОС, яка у найпростішому випадку складається з двох лінз: об'єктива і окуляра. Хід променів у мікроскопі зображений на рис. 8.18. Основні характеристики мікроскопа - роздільна здатність, межа розрізнення і корисне збільшення. Роздільна здатність - властивість мікроскопа давати окремо зображення двох, поряд розміщених, світлих точок предмета.

У мікроскопі предмет АВ розміщується безпосередньо за переднім фокусом об'єктива (Об). В такому випадку його зображення А1В1 буде дійсним, оберненим, збільшеним і буде знаходитись під подвійним фокусом об’єктива.

Бажано, щоб окуляр (Ок) розміщувався так, щоб площина, в якій лежить зображення А1В1, знаходилася у фокальній площині окуляра або між його переднім фокусом і самим окуляром, але в безпосередній близькості від фокуса F2. В першому випадку око не напружується, оскільки до нього йдуть паралельні промені. В другому випадку потрібна акомодація, щоб зібрати промені, що розходяться після заломлення в окулярі, на сітківку ока.

Як видно з рис. 8.18, зображення А1В1 предмета АВ знаходиться у фокальній площині окуляра, і тому всі промені після заломлення в окулярі йдуть від цього зображення паралельно до побічної вісі, яка з'єднує точку А1 і оптичний центр лінзи окуляра О1. Заломлююча система ока, яка має в середньому оптичну силу 63 дптр, фокусує ці паралельні промені на сітківку, де виникає зображення А2В2 реального предмета АВ.

Теорія роздільної здатності мікроскопа була розроблена Е.Аббе, а потім Л.І.Мандельштамом і Д.С.Рождественським. Роздільна здатність мікроскопа зумовлена хвильовими властивостями світла і передусім дифракційними явищами. Вона визначається роздільною здатністю об'єктива, в який входять промені світла, що дифрагують на структурних деталях предмета, і залежить, таким чином, від апертурного кута в і довжини хвилі.

Роздільна здатність є характеристикою, яка обернена до межі розрізнення Zmin -найменшої відстані між двома світлими точками предмета, які сприймаються в мікроскопі окремо. Чим менша межа розрізнення, тим вища роздільна здатність оптичного приладу. В теорії Аббе формула для межі розрізнення 2тіп має такий вигляд для "сухого" мікроскопа: Zmin= / 2

Для вирішення різноманітних завдань у біологічних дослідженнях використовують різні методи спостереження об'єктів за допомогою мікроскопа, основними з них є такі: - методи світлого і темного полів у відбитих променях або променях, що проходять крізь об'єкт; - методи спостереження в поляризованому і люмінесцентному світлі; - метод фазового контрасту; - метод ультрамікроскопії та ін.

Поляризоване випромінювання Випромінювання, в якому коливання вектора Е відбуваються лише в одному напрямку, називається поляризованим. Поляризоване світло умовно позначається так: r r

Площина поляризації Площина, в якій розташовані вектор Е та вектор r, що визначає напрямок поширення випромінювання (тобто світловий промінь), називається площиною поляризації. A r

Частково поляризоване світло Світло, в якому коливання вектора Е одного напрямку переважає коливання інших напрямків, називається частково поляризованим. Співвідношення символічних позначень ↕ та ● характеризує ступінь поляризації. r

Поляризоване світло можна одержати з природного за допомогою приладів, що називаються поляризаторами. Поляризатор

Кут Брюстера Якщо природне світло падає на відбиваючу поверхню діалектрика під кутом а, який задовольняє умові Брюстера , то відбивна хвиля виявляється плоскополяризованою, причому вектор Е у відбитому світлі коливається у площині, яка перпендикулярна до площини падіння. Кут а, який задовольняє умові Брюстера, називається кутом повної поляризації, або кутом Брюстера.

Доведення умови Брюстера При виконанні умови Брюстера відбиті та заломлені промені виявляються перпендикулярними один до одного : відповідно до закону заломлення світла згідно з умовою Брюстера ,отже звідки випливає, що , тоді .

Недоліки поляризації Недоліком поляризації при відбиванні є мала частка відбитого від діелектрика випромінювання (3-5% при відбиванні від скляної пластинки). Саме тому на практиці використовують багатократне відбивання від стопи пластинок.

Подвійне променезаломлення При проходженні світла крізь кристали світловий промень роз’єднується на два промені, які поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Це явище одержало назву подвійного променезаломлення. Для одного з цих променів не виконуються закони заломлення світла і тому він називається незвичайним е. Другий промінь, який задовольняє законам заломлення, звичайним о. .

Звичайні та незвичайні хвилі в кристалі Хід звичайних та незвичайних променів у кристалах можна наочно уявити за допомогою хвильових поверхонь. Уявіть, що в середині кристала відбувається світовий спалах, внаслідок чого в усі боки поширюються дві хвилі: звичайна та незвичайна. В деякий момент часу їх хвильові поверхні займуть положення, відображене нижче. Сферичний фронт відповідає звичайній хвилі, а еліпсоїдальний – незвичайній, швидкість поширення якої залежить від напрямку. Vo > Ve Ve > Vo

Призма Ніколя Поляризовані промені виходять з кристала під дуже малими кутами. Треба підкреслити, що при виході з кристала обидва промені відрізняються лише площинами поляризації, саме тому назва звичайний та незвичайний має сенс лише всередині кристала. Для просторового розведення променів зазвичай використовують призму Ніколя. .

Поляроїд У деяких кристалах, таких як турмалін, герапатит, один з променів при подвійному променезаломленні поглинається сильніше за інший. Так, наприклад, в турмаліні звичайний промінь поглинається практично повністю на шляху довжиною 1 мм, а в герапатиті – на шляху 0.1 мм. Кристали герапатиту наносять на целулоїдну плівку, орієнтуючи їх певним чином. Такий поляризатор називається поляроїдом.

Явище діхроїзму І турмалін, і герапатит характеризуються селективним поглинанням не лише у відношенні до променів з різними площинами поляризації, але й різними довжинами хвиль. Саме тому поляризоване світло, що виходить з кристала, виявляється забарвленим, причому в різних напрямках забарвлення різне. Це явище називається діхроїзмом.

Проходження поляризованого світла крізь аналізатор Поляризатор можна використовувати для аналізу поляризованого світла, в цьому випадку його називають аналізатором. Якщо поляризоване світло з амплітудою електричного вектора Е падає на аналізатор, то він пропустить складову, що дорівнює проекції Е на площину аналізатора РР (тобто Е||), а складову Е, яка перпендикулярна до площини аналізатора (тобто Е┴), затримає повністю. .

Закон Молюса І0 – інтенсивність поляризованого світла, що падає на аналізатор; І – інтенсивність світла, що вийшла з аналізатора.

8.1. Фізичні основи термографії Термографія – діагностичний метод, що полягає в реєстрації випромінювання різних ділянок поверхні тіла і визначеннї їх температури.

Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання тіл, що виникає за рахунок їх внутрішньої енергії.

Основні характеристики теплового випромінювання Потік випромінювання Ф – середня потужність випромінювання за проміжок часу, який значно перевищує період електромагнітних коливань.

Потік випромінювання з одиниці площі поверхні тіла називають енергетичною світністю тіла Rе:

Енергетична світність тіла, що віднесена до одиниці спектрального інтервалу, називається спектральною густиною енергетичної світності rl:

Величина спектральної густини енергетичної світності залежить від довжини хвилі. Залежність називається спектром випромінювання тіла. Енергетична світність по всьому спектру визначається через такий інтеграл:

Коефіцієнтом поглинання називають величину, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що поглинається тілом (Фпогл), до потоку, що падає на тіло (Фпад):

Якщо величина a віднесена до одиничного спектрального інтервалу, то коефіцієнт поглинання буде монохроматичним:

Тіло, для якого монохроматичний коефіцієнт поглинання дорівнює одиниці у всьому спектральному інтервалі і при будь-якій температурі, називається абсолютно чорним.

Тіло людини вважають сірим в інфрачервоній частині спектра, оскільки його коефіцієнт поглинання у цьому діапазоні:

8.6.1. Закон Кірхгофа Відношення спектральної густини енергетичної світності до монохроматичного коефіцієнта поглинання однакове для всіх тіл при даній температурі і дорівнює спектральній густині енергетичної світності абсолютно чорного тіла при тій самій температурі

Висновки із даного закону: Випромінююча здатність реального тіла завжди нижча ніж у абсолютно чорного тіла Якщо тіло не поглинає випромінювання, то воно його і не випромінює Абсолютно чорне тіло є найбільш інтенсивним джерелом теплового випромінювання

8.6.2. Закон випромінювання Планка Поглинання і випромінювання енергії атомами і молекулами відбувається окремими порціями – квантами

Спектри теплового випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах (Т3>T2>T1)

Спектральна густина енергетичної світності абсолютно чорного тіла :

8.6.3.Закон Стефана-Больцмана Інтегральна енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його абсолютної температури. Із збільшенням температури тіла надзвичайно швидко зростає потужність теплового випромінювання

8.6.4. Закон зміщення Віна Довжина тіла, на яку припадає максимум спектральної густини енергетичної світності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна до його абсолютної температури

Частота, що відповідає максимальній випромінюючий здатності абсолютно чорного тіла, прямо пропорційна до його абсолютної температури

8.6.5. Випромінювання Сонця На 1 м2 межі земної атмосфери падає потік випромінювання від Сонця 1350 Вт. Ця величина називається сонячною сталою.

Теплове випромінювання Сонця

8.6.6.Інфрачервоне випромінювання Електромагнітне випромінювання у діапазоні довжин хвиль від l=0,76 мкм до l=2000 мкм називається інфрачервоним (ІЧ). Практично всі рідкі і тверді тіла є джерелами ІЧ випромінювання.

8.6.7. Ультрафіолетове випромінювання Електромагнітне випромінювання у діапазоні довжин хвиль від l=400 нм до l=10 нм називають ультрафіолетовим (УВ). Джерелом УВ випромінювання є тіла нагріті до дуже високої температури. Найпотужнішим джерелом є Сонце.

8.1. Фізичні основи термографії Термографія – діагностичний метод, що полягає в реєстрації випромінювання різних ділянок поверхні тіла і визначеннї їх температури. План

Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання тіл, що виникає за рахунок їх внутрішньої енергії. План

Основні характеристики теплового випромінювання Потік випромінювання Ф – середня потужність випромінювання за проміжок часу, який значно перевищує період електромагнітних коливань. План

Потік випромінювання з одиниці площі поверхні тіла називають енергетичною світністю тіла Rе: План

Енергетична світність тіла, що віднесена до одиниці спектрального інтервалу, називається спектральною густиною енергетичної світності rl: План

Величина спектральної густини енергетичної світності залежить від довжини хвилі. Залежність називається спектром випромінювання тіла. Енергетична світність по всьому спектру визначається через такий інтеграл: План

Коефіцієнтом поглинання називають величину, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що поглинається тілом (Фпогл), до потоку, що падає на тіло (Фпад): План

Якщо величина a віднесена до одиничного спектрального інтервалу, то коефіцієнт поглинання буде монохроматичним: План

Тіло, для якого монохроматичний коефіцієнт поглинання дорівнює одиниці у всьому спектральному інтервалі і при будь-якій температурі, називається абсолютно чорним. План

Тіло людини вважають сірим в інфрачервоній частині спектра, оскільки його коефіцієнт поглинання у цьому діапазоні: План

8.6.1. Закон Кірхгофа Відношення спектральної густини енергетичної світності до монохроматичного коефіцієнта поглинання однакове для всіх тіл при даній температурі і дорівнює спектральній густині енергетичної світності абсолютно чорного тіла при тій самій температурі

Висновки із даного закону: Випромінююча здатність реального тіла завжди нижча ніж у абсолютно чорного тіла Якщо тіло не поглинає випромінювання, то воно його і не випромінює Абсолютно чорне тіло є найбільш інтенсивним джерелом теплового випромінювання

8.6.2. Закон випромінювання Планка Поглинання і випромінювання енергії атомами і молекулами відбувається окремими порціями – квантами

Спектри теплового випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах (Т3>T2>T1)

Спектральна густина енергетичної світності абсолютно чорного тіла :

8.6.3.Закон Стефана-Больцмана Інтегральна енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його абсолютної температури. Із збільшенням температури тіла надзвичайно швидко зростає потужність теплового випромінювання

8.6.4. Закон зміщення Віна Довжина тіла, на яку припадає максимум спектральної густини енергетичної світності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна до його абсолютної температури

Частота, що відповідає максимальній випромінюючий здатності абсолютно чорного тіла, прямо пропорційна до його абсолютної температури

8.6.5. Випромінювання Сонця На 1 м2 межі земної атмосфери падає потік випромінювання від Сонця 1350 Вт. Ця величина називається сонячною сталою.

Теплове випромінювання Сонця

8.6.6.Інфрачервоне випромінювання Електромагнітне випромінювання у діапазоні довжин хвиль від l=0,76 мкм до l=2000 мкм називається інфрачервоним (ІЧ). Практично всі рідкі і тверді тіла є джерелами ІЧ випромінювання.

8.6.7. Ультрафіолетове випромінювання Електромагнітне випромінювання у діапазоні довжин хвиль від l=400 нм до l=10 нм називають ультрафіолетовим (УВ). Джерелом УВ випромінювання є тіла нагріті до дуже високої температури. Найпотужнішим джерелом є Сонце.

1. Лабораторна робота “Вивчення мікроскопа та вимірювання мікрооб’єктів” Мета роботи: Вивчення мікроскопа та способів роботи з ним. Вимірювання геометричних розмірів мікроскопічних об`єктів. Прилади та матеріали: мікроскоп біологічний, освітлювач, об`єкт-мікрометр, дифракційна решітка, мікрооб`єкт.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ Мікроскоп (від грецького micros – маленький та skopio – дивлюсь ) – оптичний пристрій для одержання значно збільшених зображень об`єктів або деталей їх структури. Різні типи мікроскопів застосовують для визначення та дослідження бактерій, органічних клітин та інших об`єктів, розміри яких менші за мінімальну роздільну здатність ока (мінімальна роздільна здатність ока z=01 мм)

БУДОВА МІКРОСКОПА У біологічному мікроскопі розрізняють три основні частини: механічну, освітлювальну та оптичну.

БУДОВА МІКРОСКОПА До механічної частини належить штатив, що складається з основи та тубусодержака. Об`єкт, що розглядається, розміщується на предметному столику 1. Предметний столик має отвір для променів, що освітлюють об`єкт. Тубус 2 мікроскопа розташований над отвором предметного столика.

БУДОВА МІКРОСКОПА У нижній частині тубуса розташований револьвер 3, обертаючи який можна вводити в оптичну систему різні об`єктиви. У верхній частині тубуса розташований окуляр. Макрометричний та мікрометричний гвинти (кремал`єри) 4 призначені для переміщення тубуса мікроскопа , за їх допомогою здійснюється наведення на фокус.

БУДОВА МІКРОСКОПА Оптична частина ,що розташована, як правило, в тубусі мікроскопа, становить центровану оптичну систему, яка складається з двох лінз – об`єктива та окуляра. Освітлювальна частина мікроскопа складається з дзеркала 5 та конденсатора 6, який призначається для концентрування світлових променів. Об`єкт можна освітлювати за допомогою дзеркала та конденсатора як штучним, так і природним джерелами світла.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ Мікроскоп розташувати так,щоб дзеркало 5 було обернене до вікна або лампи і відбивало світло. Спостерігаючи в окуляр, домогтися рівномірного поля зору за допомогою тубусі мікроскопа, становить центровану оптичну конденсатора та дзеркала. Завдання 1. Підготувати мікроскоп до роботи

Завдання 2. Визначити ціну поділки S окулярної шкали Для цього на предметному столику розташовують об`єкт-мікрометр, ціна поділки якого дорівнює 0,01 мм. Підсвічуючи об`єкт- мікрометр зверху (відбитим світлом),обертанням кремал`єр 4 грубої та тонкої наводки на різкість домогтися чіткого зображення поверхні об`єкт-мікрометра в полі зору мікроскопа (біла шкала), розташувати її вздовж шкали окуляра (темна шкала) таким чином, щоб риски обох шкал були паралельними.

Далі необхідно знайти дві такі риски шкали окуляра, які співпадають з двома будь-якими рисками шкали об`єкт-мікрометра. Довжина відрізка між співпадаючими рисками об`єкт-мікрометра дорівнює 0.01 n (мм), де n – число поділок об`єкт- мікрометра між співпадаючими рисками. Ціну поділки S шкали окуляра можна визначити, якщо поділити довжину відрізка шкали об`єкт-мікрометра на число поділок m шкали окуляра, в котрі укладається цей відрізок зору мікроскопа, тобто S=0/01 n/m (див. рис.)

Завдання 3. Виміряти геометричні розміри мікрооб`єкта Для цього світло від освітлювача потрібно направити на на освітлювальне дзеркало 5 мікроскопа і обертанням дзеркала домогтися рівномірного освітлення поля зору мікроскопа. Далі на предметному столику мікроскопа розмістити предметне скло з вимірювальним об`єктом, домогтися його чіткого зображення.

Вимірювання товщини волосини Повернути зображення поперек шкали окуляра і відлічити кількість поділок,що укладаються в зображення об`єкта.Помноживши кількість поділок на ціну поділки, одержавши величину діаметра волосини.

Визначення сталої дифракційної решітки Одержавши чітке зображення фрагмента дифракційної решітки ( у вигляді темних та світлих смуг , що чергуються ) , домогтися співпадання будь-якої смуги дифракційної решітки з будь-якою рискою шкали окуляра, а потім знайти наступну смугу, що співпадає з рискою шкали і порахувати кількість поділок між рисками. Знаючи ціну поділки шкали окуляра , визначити постійну дифракційної решітки.

Завдання 4. Враховуючи маркірування на оправі об`єктива, визначити розрізнення мікроскопа та корисне збільшення

ПЕРЕВІР СЕБЕ!!! Мікроскоп, що це? Будова мікроскопа? Як підготувати мікроскоп до роботи? Як визначити ціну поділки S окулярної шкали? Як виміряти геометричні розміри мікрооб`єктів?

2. Лабораторна робота “Визначення концентрації розчинів рефрактометричним методом” Мета роботи: Вивчити принцип дії рефрактометра. Визначити показник заломлення рідини рефрактометричним методом. Дослідити залежність показника заломлення розчину від його концентрації та навчитися визначати концентрації розчинів. Прилади та матеріали: рефрактометр,набір розчинів відомої концентрації, розчини невідомої концентрації, розчин цукру, термометр.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ Рефрактометр – пристрій який призначений для визначення показника заломлення рідини. У медицині рефрактометр застосовується для визначення концентрації речовини в розчині ( наприклад, вмісту білка в сироватці крові). В основу конструкції приладу покладено метод визначення показника заломлення досліджуваного розчину за значенням граничного кута заломлення .

Оптична схема рефрактометра

Оптична схема рефрактометра Досліджуваний розчин розміщується між гранями двох призм: освітлювальної 1 та вимірювальної 2. На освітлювальну призму від джерела світла через конденсор спрямовують паралельний пучок променів світла . Грань АВ освітлювальної призми зроблена матовою, вона розсіює світлові промені , які проходячи крізь шар досліджуваної рідини, потрапляють на грань CD вимірювальної призми 2 під кутами 0 до 900.

Оптична схема рефрактометра Показник заломлення призми 2 більший від показника заломлення досліджуваної рідини, тому промені, які падають на будь-які точки грані CD вимірювальної призми, заломлюючись, не виходять за граничний кут заломлення гр, величина якого залежить від даних двох середовищ: досліджуваної та призми 2.

Оптична схема рефрактометра Світлові промені, що виходять з призми 2, потрапляють на лінзу 3, яка забирає всі паралельні один до одного промені в одній точці. На екрані 4, який міститься в фокальній площині лінзи 3, буде спостерігатися границя розділу світла тіні (границя світлотіні), створена променями, які йдуть під граничним кутом гр. Таким чином, положення границі світлотіні визначається величиною граничного кута заломлення досліджуваної рідини.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ Завдання 1. Ознайомитись з будовою приладу, загальний вигляд якого подано на рисунку

Прилад має корпус 1, колонку 2, основу 3. До корпусу прикріплені камери: нижня 4 з вимірювальною призмою та верхня 5 з освітлювальною призмою. До нижньої камери прикріплено рухомий освітлювач 6, світло від якого можна спрямовувати у віконце камери.

На передній кришці корпусу розміщено шкалу 7 та рукоятку 8 з окуляром 9. На вісі рукоятки знаходиться шкала 10 з гвинтом 11. Гвинт фіксує рухому шкалу 10, яка призначена для усунення спектра на границі світлотіні. До джерела живлення прилад підключається за допомогою штепсельної вилки 12.

Завдання 2. Перевірити правильність установки нуля приладу Необхідно відкинути обойму з освітлювальною призмою і нанести 2-3 краплини дистильованої води на поверхню вимірювальної призми та опустити обойму на місце. Потім включити в електричну мережу прилад, направити світло від освітлювача 6 у вікно в обоймі освітлювальної призми. Далі, обертаючи оправу окуляра 9, досягти різкого зображення шкали приладу. Повертаючи рукоятку з окуляром 8, знайти границю розділу світла та тіні й сполучити візир окуляра – три пунктирних лінії – з границею розділу світла та тіні.Якщо ця границя має кольорове забарвлення, повертаючи ручку 10, усунути його.

Завдання 3. Одержати залежність показника заломлення досліджуваної речовини від її концентрації Для цього треба виміряти показники заломлення розчинів відомих концентрацій. Виміряти показник заломлення розчину невідомої концентрації. Результати подати у вигляді таблиці. За даними таблиці побудувати графік залежності n=f(C). За графіком визначити Cх- невідому концентрацію досліджуваного розчину.

Завдання 4. Визначити показник заломлення та концентрацію розчину цукру Ці величини визначаються безпосередньо за шкалами приладу, або рефрактометр РПІ-3 призначений саме для аналізу на сахарозу.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА "Визначення концентрації розчину поляриметричним методом" Мета роботи: вивчення поляриметричного методу, вивчення принципу дії та устрою поляриметра СУ – 3, визначення питомої сталої обертання , визначення концентрації розчину оптично активної речовини. Прилади та матеріали: поляриметр напівтіньовий СУ – 3 , поляриметричні кювети, розчин цукру невідомої концентрації.

Порядок виконання лабораторної роботи Завдання 1. Підготувати прилад до роботи. Увімкнути прилад в електричну мережу. Обертальну обойму 4 встановити так , щоб на шляху світлового потоку встановився наскрізний отвір. У відсутності у камері 5 поляриметричної кувети обертанням оправи окуляра зорової трубки 6 домогтися чіткого зображення тонкої лінії.

Можливі відносні положення ноніусу та відлікової шкали: а – правильне ; б – неправильне. У протилежному випадку треба перевірити знову однорідність поля зору окуляра 6 і якщо однорідність не досягнута, то спостерігається систематична похибка відліку. Її можна усунути ретельнішою установкою нуля (це здійснює лаборант) . У приладі застосована міжнародна цукрова шкала , 100 поділок якої (100°S) відповідають куту обертання площини поляризації , що дорівнює 34,62° . В діапазоні шкали від – 40°S до + 100°S ноніус дає змогу відраховувати показання з точністю до 0.1 поділки.

Визначити питоме обертання для цукру Розташувати в камері поляриметра 5 кювету з розчином цукру відомої концентрації . Виміряти величину кута обертання площини поляризації кількістю поділок n шкали . Кут обертання φ визначимо , помноживши кількість поділок n на ціну поділки шкали , що дорівнює 0.35° . Для вимірювання n необхідно домогтися однорідності поля зору обертанням кремал’єри 7, а потім крізь окуляр 8 провести відлік по шкалі з точністю до 0.1 поділки шкали. . Завдання 2.

Визначити питоме обертання для цукру Кількість цілих поділок визначають за основною шкалою до нуля шкали ноніуса (11 поділок) . Число десятих поділок визначають за шкалою ноніуса : воно дорівнює номеру поділки ноніуса, який найкращім способом співпадає з будь – якою поділкою основної шкали .

Вимірювання провести п’ять разів, одержані дані занести до таблиці . За даними вимірювання розрахувати середні значення результатів відліку n , питоме обертання , а також похибки її визначення . Питоме обертання розраховують за формулою: [φо]= 0.35*n /C*L1 , де n- середнє значення відліку по шкалі; L1 – довжина кювети ; 0.35°- ціна поділки шкали; С- концентрація розчину . Відносну похибку розрахувати за формулою ε=Δ[φo]/ [φo]=Δn/n+ΔC/C+ΔL1/L1, де Δn ,ΔC,ΔL1, Δ[φo] – середні абсолютні похибки цих величин. Абсолютна похибка шуканої величини розраховується за формулою Δ[φo]=ε*Δ[φo]. Остаточний результат для питомого обертання має такий вигляд: [φo]= [φo]+ - Δ[φo] .

Завдання 3. Визначити концентрацію розчину цукру. Виміряти кут обертання площини поляризації для кювети з розчином невідомої концентрації. Вимірювання провести також п’ять разів, одержані результати занести до таблиці. Розрахувати концентрацію Сx розчину , застосувавши одержане при виконані завдання 2 значення питомого обертання [φo] : Сx = φ/[φо]*L = 0.35*n / [φо]*L2 . Похибку визначення концентрації розрахувати за формулою ε= ΔCx/Cx= Δn/n+ Δ[φo]/ [φo]+ΔL2/L2 . Абсолютна похибка визначення концентрації набуває вигляду ΔCx= ε Cx. Остаточний результат для концентрації розчину цукру має такий вигляд: Cx =Cx +-ΔCx. Результат занести до таблиці

Таблиця. Результат вимірів і розрахунків N n Δn L1(дм) ΔL1(дм) [φо] n Δn L2 ΔL2 Сx 1 1.000 0.005 2.000 0.005 2 -„- -„- -„- -„- 3 -„- -„- -„- -„- 4 -„- -„- -„- -„- 5 -„- -„- -„- -„- Серед.Знач. 1.000 0.005 2.000 0.005 Для розчину відомої концентрації С=(6.5+-0.2)г/100см² L1=(1.000+-0.005)дм Для розчину невідомої концентрації Сx L2=(2.000+-0.005)дм

Що таке теплове випромінювання? Яке тіло називається абсолютно чорним? Що є найінтенсивнішим джерелом теплового випромінювання? Яка температура поверхні Сонця? Який діапазон інфрачервоного випромінювання? Як підготувати поляриметр до роботи? Як визначити питоме обертання для цукру? Як визначити концентрацію розчину цукру? Дайте визначення поняттю “геометрична оптика” Яку систему називають центрованою? Які точки і лінії називаються спряженими? Які промені звуться параксіальними? Що таке головні точки? Який вони мають зв’язок із головними площинами? Запишіть формулу для фокусної відстані. Що називається оптичною діафрагмою, а що аперутною діафрагмою? Що може служити аперутною діафрагмою? Що називається абреаціями? Які абреації виникають при широких пучках світла? Чим зумовлена дисторсія? В чому полягає кривизна поля? Внаслідок чого виникає астигматизм? Який астигматизм можна назвати правильним? Чим зумовлена хроматична абреація? Яку властивість мікроскопа називають роздільною здатністю? Які ви знаєте основні характеристики мікроскопа?