1. Układ optyczny oka.
Składa się z rogówki i soczewki ocznej, przy czym ośrodki (powietrze, ciecz wodnista i ciało szkliste) graniczące z tymi elementami są różne, dlatego też ogniskowe obrazowa i przedmiotowa są różne. Przesłoną aperturowy oka jest tęczówka. Układ optyczny oka spośród innych wyróżnia wyjątkowa soczewka. Współczynnik załamania jest różny w poszczególnych jej warstwach, w jądrze wynosi 1,40, a w warstwach zewnętrznych 1,33. Również przez różne napięcie mięśnia soczewka staje się mniej lub bardziej wypukła. Dzięki temu zdolność skupiająca oka od siatkówki umożliwia tworzenie na siatkówce obrazów przedmiotów bliskich i dalekich - własność ta to akomodacja oka.
Akomodacja oka ma pewien skończony zakres, wyznaczony przez zdolność do odwzorowania ostro na siatkówce obszaru między osiowymi punktami dalekimi (D) i bliskimi (B). Obraz pierwszego z nich jest utworzony na siatkówce, gdy zdolność skupiająca oka jest najmniejsza (soczewka oczna możliwie płaska), a drugiego, gdy zdolność jest maksymalna. Odwrotność odległości s_D punktu dalekiego D od oka nazwana jest refrakcją oka R = 1/S_D i mierzona jest w dioptriach.

2. Konstrukcja obrazów otrzymywanych na siatkówce oka.

Na wszystkich poniższych rysunkach kolorem ciemnoniebieskim oznaczony został przedmiot, a kolorem czerwonym — jego obraz. Ogniska soczewki zaznaczone są kropkami na osi optycznej.

Soczewki skupiające:

1. Przedmiot znajduje się w odległości x > 2f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: rzeczywisty (znajduje się po przeciwnej stronie soczewki niż przedmiot), pomniejszony i odwrócony.

2. Przedmiot znajduje się w odległości x = 2f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: rzeczywisty, naturalnej wielkości i odwrócony.

3. Przedmiot znajduje się w odległości 2f > x > f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: rzeczywisty, powiększony i odwrócony.

4. Przedmiot znajduje się w odległości x = f od optycznego środka soczewki:

Obraz nie powstaje. Przedmiot znajduje się w jednym z ognisk soczewki. Po przejściu przez soczewkę promienie biegną równolegle do siebie i nigdzie się nie przecinają.

5. Przedmiot znajduje się w odległości x < f od optycznego środka soczewki:

Uzyskany obraz jest: pozorny (znajduje się po tej samej stronie soczewki, co przedmiot), powiększony i prosty.

Soczewki rozpraszające:

Uzyskany obraz jest: pozorny, pomniejszony i prosty.

3. Zdolność rozdzielcza oka
„Ostrość” obrazu pojawiającego się na siatkówce oka charakteryzujemy, tak jak w przypadku wszystkich innych układów optycznych, wielkością zwaną zdolnością rozdzielczą. Przy opisie zdolności rozdzielczej oka d posługujemy się pojęciem zdolności rozdzielczej kątowej, danej wzorem:

gdzie d oznacza kątową zdolność rozdzielczą oka;

α — kąt, pod jakim widziane są ze źrenicy dwa punkty obserwowanego przedmiotu, jeszcze rozdzielane przez układ optyczny oka (najmniejszemu kątowi odpowiadają obrazy tych punktów na dwóch sąsiadujących czopkach);

d_źr — średnicę źrenicy;

a λ — długość fali światła.

Jak widać, kątowa zdolność rozdzielcza oka jest odwrotnością kąta α.

Wzór powyższy wynika z tak zwanego kryterium Rayleigha, które mówi, że dwa punkty są jeszcze rozdzielane przez układ optyczny, gdy maksimum główne jednego z punktów pokrywa się z pierwszym minimum drugiego. Wymienione maksima i minima odnoszą się do efektów dyfrakcyjnych, związanych z powstawaniem obrazu będącego sumą wielu nakładających się obrazów punktowych.

Zdolność rozdzielcza oka zależy od warunków oświetlenia oglądanego przedmiotu — maleje, gdy zmniejsza się natężenie oświetlenia — a także od budowy układu optycznego oka i od czułości receptorów siatkówki.

Oko ludzkie jest narządem bardzo czułym. Może rozróżniać różne natężenia światła i barw dzięki sprawnym mechanizmom adaptacji. Jeden z nich, o którym warto wspomnieć, to regulacja średnicy źrenicy. Źrenica jest otworem w tęczówce oka, przez który światło dostaje się do jego wnętrza i który dzięki działaniu odpowiednich mięśni może być powiększany lub zmniejszany (odpowiednio dla światła o mniejszych i większym natężeniu). Drugi mechanizm adaptacji wiąże się z czynnością komórek światłoczułych.
czynniki wpływające na zdolność rozdzielczą oka „Ostrość” obrazu pojawiającego się na siatkówce oka charakteryzujemy, tak jak w przypadku wszystkich innych układów optycznych, wielkością zwaną zdolnością rozdzielczą. Przy opisie zdolności rozdzielczej oka d posługujemy się pojęciem zdolności rozdzielczej kątowej, danej wzorem:

gdzie d oznacza kątową zdolność rozdzielczą oka;

α — kąt, pod jakim widziane są ze źrenicy dwa punkty obserwowanego przedmiotu, jeszcze rozdzielane przez układ optyczny oka (najmniejszemu kątowi odpowiadają obrazy tych punktów na dwóch sąsiadujących czopkach);

d_źr — średnicę źrenicy;

a λ — długość fali światła.

Jak widać, kątowa zdolność rozdzielcza oka jest odwrotnością kąta α.

Wzór powyższy wynika z tak zwanego kryterium Rayleigha, które mówi, że dwa punkty są jeszcze rozdzielane przez układ optyczny, gdy maksimum główne jednego z punktów pokrywa się z pierwszym minimum drugiego. Wymienione maksima i minima odnoszą się do efektów dyfrakcyjnych, związanych z powstawaniem obrazu będącego sumą wielu nakładających się obrazów punktowych.

Zdolność rozdzielcza oka zależy od warunków oświetlenia oglądanego przedmiotu — maleje, gdy zmniejsza się natężenie oświetlenia — a także od budowy układu optycznego oka i od czułości receptorów siatkówki.

Oko ludzkie jest narządem bardzo czułym. Może rozróżniać różne natężenia światła i barw dzięki sprawnym mechanizmom adaptacji. Jeden z nich, o którym warto wspomnieć, to regulacja średnicy źrenicy. Źrenica jest otworem w tęczówce oka, przez który światło dostaje się do jego wnętrza i który dzięki działaniu odpowiednich mięśni może być powiększany lub zmniejszany (odpowiednio dla światła o mniejszych i większym natężeniu). Drugi mechanizm adaptacji wiąże się z czynnością komórek światłoczułych.
kryterium Rayleigha- orientacyjne kryterium pozwalające ocenić, czy dwie linie widmowe światła są rozdzielone. Rayleigh za warunek rozróżnialności obrazów dyfrakcyjnych dwóch równoległych linii widmowych przyjął następujące kryterium: Maksimum jednego obrazu dyfrakcyjnego leży w miejscu minimum drugiego obrazu. Wymienione maksima i minima odnoszą się do efektów dyfrakcyjnych, związanych z powstawaniem obrazu będącego sumą wielu nakładających się obrazów punktowych.

zdolność skupiająca oka (inaczej moc), D, odwrotność ogniskowej obrazowej; mierzymy ją w dioptriach. Dodatnia zdolność zbierająca oznacza soczewkę lub układ optyczny skupiający, a ujemna - soczewkę lub układ rozpraszający

akomodacja oka- zjawisko dostosowania się oka do oglądania przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach. Dostosowanie to polega na odpowiednim doborze ostrości widzenia. Akomodacja oka mieści się oczywiście w pewnym zakresie i jest ograniczona skrajnymi położeniami soczewki. Gdy soczewka jest najbardziej płaska, zdolność skupiająca oka jest najmniejsza. Rejestruje ono wówczas obraz najdalej położonego punktu, zwanego punktem dalekim lub punktem dali (D). Gdy soczewka najmocniej się uwypukla, jej zdolność skupiająca rośnie. Na siatkówce pojawia się obraz najbliższego wyraźnie widzianego punktu — punktu bliskiego (B). Punkt daleki oka zdrowego człowieka znajduje się w nieskończoności, punkt bliski w młodości w odległości około 10 cm (w miarę starzenia odległość ta powiększa się wskutek sztywnienia soczewki i zmniejszania jej zdolności akomodacyjnej). W optyce często posługujemy się również inną wielkością, tak zwaną odległością dobrego widzenia, wynoszącą około 25 cm, przy której wysiłek akomodacyjny oka jest najmniejszy.

amplituda akomodacji oka- wielkość niezależna od refrakcji i definiowana jako różnica między odwrotnością odległości punktu dalekiego (refrakcja) i odwrotnością odległości punktu bliskiego: A= 1/S_D - 1/S_B. Amplituda ta maleje wraz z wiekiem.

refrakcja oka- załamywanie promieni świetlnych przechodzących przez wszystkie struktury optycznego układu oka, zwłaszcza przez rogówkę, soczewkę, ciało szkliste. Średnio wartość refrakcji całego układu optycznego wynosi ok. 58,46 dioptrii, z tym że udział poszczególnych struktur wynosi: 45,0 D - rogówka, 13,0 D - soczewka, 0,46 D - ciało szkliste. Jest odwrotnością odległości S_D punktu dalekiego D od oka. Mierzona jest w dioptriach. Gdy refrakcja oka jest równa zeru, tzn. S_D → ∞, mówimy, że oko jest miarowe. Dla oka miarowego zdolność skupiająca równa jest refrakcji. W przypadku wad układu optycznego refrakcja staje się dodatnia lub ujemna, a jej wartość jest miarą odpowiedniej wady.

wady wzroku i ich korygowanie: Trzy spotykane wady wzroku, wynikające z niedoskonałości układu optycznego oka, to: krótkowzroczność, dalekowzroczność (nadwzroczność) i astygmatyzm.

Korekcja wad wzroku polega na dobraniu odpowiednich okularów, czyli soczewek, które załamują promienie świetlne jeszcze przed rogówką tak, aby ich kolejne załamanie wewnątrz oka doprowadziło do powstania na siatkówce prawidłowego obrazu.

- Krótkowzroczność występuje, gdy promienie światła wpadające do oka są załamywane zbyt mocno, w efekcie czego ich ognisko znajduje się przed siatkówką. Powoduje to, że przedmioty znajdujące się daleko od oka są widziane niewyraźnie. Punkt D oka krótkowzrocznego znajduje się bliżej niż w nieskończoności, punkt B — bliżej niż u oka zdrowego. Refrakcja oka krótkowzrocznego jest ujemna. Wadę tę korygujemy dzięki szkłom (okularom) rozpraszającym.

- Dalekowzroczność jest efektem zbyt słabego załamywania światła we wnętrzu oka — promienie nie skupiają się na siatkówce, lecz padają na nią w pewnych odległościach jedne od drugich. Przedłużenia promieni skupiałyby się za siatkówką. Powoduje to utrudnienia w widzeniu przedmiotów blisko położonych. Czasami, w skrajnej dalekowzroczności, punkt D oka jest przesunięty daleko poza nieskończoność — wówczas nawet punkty nieskończenie dalekie (np. gwiazdy) nie są widziane dostatecznie wyraźnie. Punkt B oka dalekowzrocznego znajduje się dalej niż u oka zdrowego. Refrakcja takiego oka jest dodatnia. Wadę tę korygujemy, stosując dodatkowe szkła skupiające.

- Astygmatyzm oka polega na niedokładnościach w odwzorowaniu obrazu na siatkówce wskutek nieregularności budowy układu optycznego. Występuje on, gdy dla różnych przekrojów głównych oka mamy do czynienia z różnymi wartościami refrakcji.

Wyróżniamy astygmatyzm krótko- i dalekowzroczny. Astygmatyzm krótkowzroczny występuje wówczas, gdy w jednym przekroju głównym oko jest miarowe, a w drugim refrakcja jest ujemna. Jeżeli natomiast oko jest miarowe w jednym przekroju głównym, a w drugim refrakcja jest dodatnia, mówimy o astygmatyzmie dalekowzrocznym. Możemy mieć do czynienia również z astygmatyzmem złożonym: kiedy obydwa przekroje główne oka są niemiarowe. Jeżeli dla obydwu przekrojów R < 0, jest to astygmatyzm złożony krótkowzroczny, jeżeli dla obydwu R > 0 — astygmatyzm złożony dalekowzroczny. (Oczywiście dla obydwu przekrojów głównych wartości refrakcji muszą się różnić. W przeciwnym razie mamy do czynienia nie z astygmatyzmem, ale po prostu z krótko- lub dalekowzrocznością). Istnieje także astygmatyzm złożony mieszany — kiedy w jednym przekroju głównym oka refrakcja jest większa, a w drugim mniejsza od zera.

Astygmatyzm oka koryguje się soczewkami lekko cylindrycznymi lub sferocylindrycznymi (jeżeli ponadto oko jest niewymiarowe). Soczewki te oszlifowane są tak, że w obu przekrojach głównych mają różne zdolności skupiające, dobrane tak, aby korygować refrakcję w odpowiednich przekrojach oka.

4. Widzenie stereoskopowe- Przy pomocy jednego oka nie jesteśmy w stanie precyzyjnie określać odległości i położenia różnych przedmiotów. Za widzenie stereoskopowe, czyli przestrzenne, odpowiada dopiero para oczu. Dzieje się tak dlatego, że zbieżność osi oczu dla obiektów bliższych jest mniejsza niż dla dalszych, czyli gdy patrzymy na obiekty położone blisko nas, główne osie optyczne oczu przecinają się pod nieco większym kątem, niż gdy patrzymy na obiekty oddalone. Obrazy przedmiotu przestrzennego, dawane przez oboje oczu, nie są jednak identyczne. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy jedno i drugie oko patrzy nań pod tym samym kątem. Wynika z tego różnica między obrazami odbieranymi przez oboje oczu. Miarą widzenia stereoskopowego γ jest bezwzględna różnica kątów widzenia dla obojga oczu dwóch przedmiotów, które odróżniamy jeszcze jako oddalone od siebie.

widzenie barwne- zdolność organizmu do rozróżniania przedmiotów oparta na wrażliwości na długość fali (lub częstotliwość)światła, które przedmioty te odbijają, emitują lub przepuszczają. Układ nerwowy rejestruje kolor poprzez porównanie odpowiedzi na światło kilku rodzajów czopków w oku. Czopki te są wrażliwe na różne długości światła widzialnego. Dla ludzi zakres światła widzialnego wynosi około 380-740nm.

widzenie skotopowe- widzenie ciemne, odpowiedzialne za nie są pręciki, które mogą pracować przy znikomej ilości światła. Rodopsyna jest odpowiedzialna za ten rodzaj widzenia,

widzenie fotopowe- widzenie jasne, mówi się o nim gdy otrzymujemy informację za pomocą czopków, które są mało czułe na światło, więc konieczne jest dostatecznie obfite oświetlenie.

bezwzględny próg widzialności (czułości)- Czułość receptorów świetlnych oka wiąże się z natężeniem światła wpadającego do układu optycznego i rejestrowanego na siatkówce. Jest ona tym większa, im mniejsze natężenie zostaje zarejestrowane jako efekt wzrokowy. Bezwzględnym progiem czułości nazywa się najmniejszą porcję energii (najmniejsze natężenie światła), której dostarczenie do oka spowoduje rejestrację efektu wzrokowego. BPC przeciętnego zdrowego oka wynosi ok. 4 · 10^-17 J.

5. Fotoreceptory- budowa, rodzaje i próg czułości-  receptory (białka lub specyficzne komórki) pochłaniające światło i uruchamiające określoną reakcję fizjologiczną w organizmie. Występują w organizmach roślinnych i zwierzęcych, w tym u człowieka. Receptory wzrokowe stanowią wyspecjalizowane neurony siatkówki oka: czopki - odpowiedzialne za widzenie fotopowe i pręciki - odpowiedzialne za widzenie skotopowe. Głównym barwnikiem światłoczułym zawartym w fotoreceptorach jest rodopsyna.

6. Rodopsyna- charakterystyka i funkcje. = purpura wzrokowa. Fotopigment zawarty w pręcikach, warunkuje widzenie zmrokowe (odcieni szarości). Rozkład rodopsyny zachodzi znacznie szybciej niż jej ponowna synteza. Dzięki temu istnieje ujemne sprzężenie zwrotne regulujące ilość rodopsyny w zależności od natężenia oświetlenia. Wzrost natężenia światła powoduje zmniejszenie ilości rodopsyny, a tym samym zmniejszenie czułości pręcików. Równowaga ustala się, gdy ilość rozkładanego Fotopigment = ilości otrzymanej wskutek syntezy.

7. Charakterystyka i zasada działania mikroskopu: optycznego z jasnym polem widzenia Mikroskopy z jasnym polem widzenia (do których należy m.in. powszechnie używany mikroskop optyczny) pozwalają oglądać poszczególne fragmenty obserwowanego przedmiotu dzięki różnicom w natężeniu światła przez nie przepuszczanego. Dla wzmocnienia tego efektu stosuje się odpowiednie barwienie preparatów, których różne elementy w sposób zróżnicowany przyjmują barwniki.

ciemnym polem widzenia Zdarza się jednak, że kontrasty na preparacie są małe, niemal niewidoczne, nawet po zabarwieniu, albo że barwienie preparatu z jakiegoś względu jest niepożądane. Stosuje się wówczas obserwację w tzw. ciemnym polu widzenia. Nazwa pochodzi stąd, że — odwrotnie niż w przypadku mikroskopów z jasnym polem widzenia — obserwujemy jasne fragmenty lub kontury struktur na tle ciemnego pola. Sytuację taką otrzymujemy, oświetlając preparat boczną wiązką, prostopadłą do osi optycznej tubusu. Do obiektywu wchodzi wówczas wyłącznie światło rozproszone na drobnych elementach struktury przedmiotu. Mikroskopy takie, zwane również ultramikroskopami, stosuje się również wtedy, gdy cząstki lub fragmenty przedmiotu są bardzo małe. Dzięki ich użyciu możemy obserwować nawet poszczególne cząsteczki koloidów o rozmiarach rzędu 5 · 10^-8 m. Niestety, dokładność takiej obserwacji jest niewielka — interesujące nas obiekty zazwyczaj widzimy jako jasne punkty na ciemnym tle — toteż zamiast oświetlenia bocznego stosuje się często specjalne kondensory ciemnego pola, które dają wiązki oświetlające dany mały obszar obejmujący obiekty obserwowane, lecz nie wchodzą bezpośrednio do obiektywu, omijając go z boku. Do obiektywu dostaje się natomiast światło ugięte na oświetlonych mikroobiektach.

z kontrastem fazowym Poszczególne elementy subtelnych struktur, zwłaszcza biologicznych, często nie różnią się swoimi własnościami absorpcyjnymi, a jedynie współczynnikami załamania światła lub grubością — dlatego też w jasnym polu widzenia nie wyróżniają się lub nawet są niewidoczne na tle otaczającej cieczy.

Podczas przechodzenia przez elementy o różnym współczynniku załamania lub grubości, fala świetlna ulega jednak minimalnej zmianie fazy. Zmiana ta nie jest dostrzegalna dla oka ani możliwa do zarejestrowania na kliszy fotograficznej, ale specjalne urządzenia zwane mikroskopami z kontrastem fazowym, pozwalają ten niewidoczny obraz fazowy przekształcić w obraz „amplitudowy”, czyli kontrastowy — zróżnicowany pod względem przechodzącego natężenia światła.

Spróbujmy w wielkim uproszczeniu opisać istotę ich działania.

Okazuje się, że fala przechodząca przez obiekt (1) wskutek różnic współczynników załamania zmienia fazę drgań o niewielką wartość ∆φ w stosunku do fali biegnącej obok obiektu (2). W ujęciu geometrycznym odpowiada to powstaniu nowej fali ugiętej (3), o niewielkiej amplitudzie i przesuniętej względem fali 2 o π/2 — innymi słowy, fala 1 jest geometrycznym złożeniem fal 2 i 3.

Fala 2 jest falą oświetlającą pole widzenia — ma dużą amplitudę i jednakową fazę w całym polu. Chcąc uzyskać większy kontrast fazowy między nią a falą 3, musimy po pierwsze zmienić różnicę faz między nimi o π/2 (zlikwidować ją lub zwiększyć do π), a po drugie — osłabić jej natężenie.

Dokonujemy tego za pomocą specjalnej płytki, zwanej płytką fazową, umieszczonej w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu. Płytka ta w maleńkim krążku w swej części środkowej (lub w wąskim pierścieniu okalającym środek) przechwytuje całość promieniowania oświetlającego, po czym osłabia je przez absorpcję w warstewce napylonego metalu i jednocześnie wprowadza żądaną zmianę fazy, np. wskutek nieco innej grubości płytki w tym miejscu. Światło ugięte przez obserwowany obiekt przechodzi natomiast niezakłócone przez odpowiednie części płytki fazowej, a następnie tworzy przed okularem pożądany obraz kontrastowy.

Formą ulepszoną mikroskopu z kontrastem fazowym jest mikroskop interferencyjny. Ponadto w wielu przypadkach wzmocnienie kontrastowości obrazów można uzyskać w mikroskopie polaryzacyjnym. Wykorzystuje się tu fakt, że wiele struktur organicznych stanowi środowisko optycznie anizotropowe. W mikroskopach polaryzacyjnych, podobnie jak w polarymetrach, stały element budowy stanowią dwa nikole. Polaryzator umieszczony jest przed kondensorem, a ruchomy analizator znajduje się wewnątrz tubusu między obiektywem a okularem. Poprzez zmiany położenia płaszczyzn głównych obydwu polaryzatorów względem siebie oraz odległości obiektu od pierwszego polaryzatora można uzyskać pojawiające się i znikające kontrasty różnych części obiektu.

Polaryzacyjnego jw.

elektronowego Zostało już nadmienione, że zmniejszanie długości fali stosowanego światła powoduje wzrost zdolności rozdzielczej mikroskopu. W jednych z najdoskonalszych urządzeń optycznych, jakie znamy — mikroskopach elektronowych — wykorzystuje się w tym celu falowe właściwości materii, a konkretnie elektronów. Długość fal de Broglie'a dla elektronów, opisana wzorem:

gdzie λ oznacza długość fali

h — stałą Plancka

m — masę ciała lub cząstki

a v — jego prędkość,

jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od długości fal świetlnych.

Źródłem elektronów w mikroskopie jest tzw. działo elektronowe. Katodą jest rozżarzony drucik wolframowy; natężenia prądu elektronowego są rzędu 100 mA, a napięcie przyspieszające (które musi się odznaczać doskonałą stałością) wynosi od kilkudziesięciu do 1000 kV. Po wyjściu z wyrzutni i przyspieszeniu przez anodę elektrony przechodzą przez pierwszą „soczewkę” mikroskopu (elektryczną lub magnetyczną, spełniającą rolę kondensora) i dochodzą do preparatu. Podczas przechodzenia przez preparat, elektrony ulegają rozproszeniu i pochłanianiu (tym większemu, im większa grubość preparatu i liczba masowa atomów danego fragmentu) na jego niejednorodnej strukturze.

Preparat taki musi być dostatecznie cienki (10-100 nm, zależnie od materiału), elektrony zaś muszą mieć dostatecznie duże energie. W przeciwnym razie znaczący odsetek elektronów ulega spowolnieniu wskutek zderzeń podczas przejścia przez preparat, a to powoduje dużą aberrację chromatyczną.

Obiektyw skupia elektrony, tworząc powiększony obraz przedmiotu, i kieruje je do soczewki projekcyjnej. Po przejściu przez nią elektrony tworzą obraz na ekranie pokrytym specjalną fluoryzującą substancją, emitującą pod ich wpływem promieniowanie widzialne. W ten sposób „obraz elektronowy” jest przetwarzany na obraz widzialny, który można obserwować bezpośrednio lub fotografować.

Wszystkie elementy mikroskopu elektronowego umieszczone są wewnątrz obudowy, we wnętrzu której istnieje wysoka próżnia (od 10^-5 do 10^-6 Pa), konieczna, aby wyelimnować zderzenia elektronów z cząsteczkami jakiegokolwiek gazu na drodze pomiędzy źródłem a ekranem

Mikroskopy elektronowe dają znakomite powiększenia, nawet rzędu 500 tysięcy razy. Ich zdolność rozdzielcza również jest bardzo dobra, aczkolwiek nie taka, jakiej można byłoby się spodziewać na podstawie analizy długości fal de Broglie'a. Teoretycznie mogłaby być nawet stokroć większa! Niestety, zdolność rzeczywista jest mniejsza ze względu na wady soczewek magnetycznych — o wiele bardziej znaczące, niż wady soczewek szklanych.

Obecnie prowadzi się również badania nad mikroskopami protonowymi. Na podstawie równania opisującego fale de Broglie'a możemy stwierdzić, że cząstki cięższe od elektronów pozwalałyby uzyskać jeszcze mniejsze długości fal, a co za tym idzie — mikroskopy opierające na nich swe działanie miałyby doskonalsze zdolności optyczne. Na razie jednak trudności techniczne wykluczają możliwość ich użycia.

8. Poziom głośności dźwięku, jednostka, wielkość będąca porównawczą miarą głośności dźwięku w odniesieniu do głośności tonu wzorcowego, wyrażona w fonach.

Poziom głośności dowolnego dźwięku w fonach jest liczbowo równy poziomowi ciśnienia akustycznego tonu o częstotliwości 1 kHz, który brzmi jednakowo głośno jak ten dźwięk. Zmieniając częstotliwość badanych tonów można wyznaczyć krzywe jednakowego poziomu głośności czyli izofony^[1]. Dźwięki o tej samej liczbie fonów wywołują to samo wrażenie głośności, ale nie muszą być to dźwięki identyczne w sensie barwy.

Korzystając z poziomu głośności można ocenić, czy dany dźwięk jest cichszy czy głośniejszy od innego, ale nie można stwierdzić ile razy (fonów jako miary logarytmicznej nie można sumować arytmetycznie). Aby stwierdzić, ile razy głośniej dany dźwięk jest słyszany niż inny, należy skorzystać z subiektywnej skali głośności, wyrażonej w sonach^[1].
krzywe jednakowej głośności krzywa jednakowego poziomu głośności dźwięku. Izofony są przedstawiane w układzie logarytmicznej zależności poziomu natężenia dźwięku lub poziomu ciśnienia akustycznego od częstotliwości^[1]. Dana krzywa izofoniczna ma tę samą wartość, na przestrzeni różnych częstotliwości, liczoną w fonach, ale różną liczoną w decybelach. Wynika to z różnego odbioru częstotliwości przez ludzkie ucho.

Najniżej położona krzywa (0 fonów) stanowi próg słyszenia, czyli określa najmniejszą wartość poziomu ciśnienia akustycznego tonu o danej częstotliwości wywołującego wrażenie słuchowe. Krzywa położona najwyżej (około 130 fonów) to granica bólu, co oznacza, że tony o określonych przez nią poziomach powodują ból, a nawet mogą uszkodzić słuch. Pomiędzy krzywą progu słyszenia a krzywą granicy bólu leży cała rodzina krzywych izofonicznych, których parametrem jest poziom głośności^[2].

Dolna granica słyszalności i granica bólu wyznaczają obszar (powierzchnię) słyszalności. Zakres odbieranych częstotliwości wynosi średnio od 16 Hz do 20 kHz, a poziomów (dla częstotliwości 3 kHz) od -10 dB do 130 dB^[2].

Ze względu na swój subiektywny charakter, krzywe izofoniczne nie mają ścisłego kształtu, ani położenia i różnią się w zależności od metod badawczych użytych do ich wyznaczenia.
9. Fizyczne i odpowiadające im fizjologiczne cechy dźwięku. Cechy dźwięku dzielimy na fizyczne (obiektywne) i odpowiadające im fizjologiczne (subiektywne), czyli odbierane w odmienny sposób przez różnych ludzi.

Fizyczną cechą dźwięku jest jego częstotliwość. Odpowiadająca jej cecha fizjologiczna to wysokość dźwięku — większej częstotliwości odpowiada wyższy dźwięk i na odwrót.

Kolejna fizyczna cecha dźwięku to natężenie. Odpowiada jej cecha subiektywna — głośność. Przy stałej częstotliwości dźwięku wyższemu natężeniu odpowiada większa głośność i odwrotnie. Przy zmiennej częstotliwości zależność głośności od niej i od natężenia dźwięku opisują scharakteryzowane już krzywe jednakowej głośności.

Ostatnią z fizycznych cech dźwięku jest jego struktura widmowa. Wymaga ona krótkiego omówienia, a mianowicie przedstawienia słyszanego przez nas dźwięku jako sumy pewnych zjawisk głosowych, czyli tonów, dzielonych przez nas na podstawowe i harmoniczne.

Tonem nazywamy zjawisko głosowe wywołane przez falę harmoniczną o jednej, określonej częstości. Każdy dźwięk rzeczywisty jest mieszaniną wielu tonów, ponieważ rzadko kiedy mamy do czynienia ze źródłem dźwięku emitującym fale o jednej tylko częstości.

Najłatwiej wytłumaczyć to na przykładzie struny instrumentu. Kiedy wprawiamy ją w drganie, wytwarza się na niej fala stojąca, której węzły znajdują się na końcach struny. Ton emitowany w takich warunkach nazywamy podstawowym. Ta sama struna może jednak drgać inaczej — fala stojąca może mieć więcej niż dwa węzły, co odpowiada wyższej częstotliwości. Takie fale i odpowiadające im tony nazywamy harmonicznymi. Gdy struna zaczyna drgać, tony podstawowy i harmoniczne nakładają się na siebie — struna jest wówczas źródłem fali złożonej, czyli dźwięku.

Odkładając na osi odciętych częstość fali stojącej i przypisując każdej częstości określoną długość fali, otrzymujemy zbiór odcinków tworzących tzw. widmo akustyczne. Jest ono zmienne w czasie, gdyż wszystkie tony składające się na dźwięk nie muszą pojawiać się jednocześnie; mogą następować jeden po drugim.

Liczba i natężenie, a także kolejność i odstęp w pojawianiu się tonów harmonicznych nałożonych na ton podstawowy decyduje o ostatniej cesze fizjologicznej, odpowiadającej widmowej strukturze dźwięku — jego barwie.

10. Ubytek słuchu, jednostka. Ubytkiem słuchu określa się pogorszenie słuchu, powodujące podwyższenie progu słyszalności, czyli zmniejszenie wrażliwości ucha na dźwięk o danym natężeniu. Ubytek słuchu opisujemy, posługując się pojęciem poziomu ubytku słuchu. Jest on opisany wzorem:

[dB HL]

gdzie L oznacza poziom ubytku słuchu, I_u — próg słyszalności dla ucha badanego, a I₀ — próg słyszalności dla ucha zdrowego. Poziom ubytku słuchu określamy w „decybelach poziomu słyszalności” (z ang. hearing level). W praktyce oznacza to, że próg słyszalności pacjenta z ubytkiem słuchu 40 dB HL dla 1 kHz jest podwyższony o 40 dB w stosunku do ucha zdrowego, młodego człowieka (z „normalnym” słuchem).

11. Budowa ucha, funkcje poszczególnych elementów ucha.

Ucho zewnętrzne

Ucho zewnętrzne wychwytuje fale dźwiękowe, wzmacnia je i kieruje na błonę bębenkową. Składa się z małżowiny usznej, przewodu słuchowego zewnętrznego i powierzchni zewnętrznej błony bębenkowej.

Małżowina uszna - jest to fałd skórny rozpięty na elastycznym rusztowaniu z tkanki chrzęstnej. Jej kształt jest przystosowany do zbierania fal dźwiękowych i kierunkowania ich do przewodu słuchowego zewnętrznego.

Przewód słuchowy zewnętrzny - kanał doprowadzający fale dźwiękowe do błony bębenkowej, o długości ok. 26-30 mm i średnicy ok. 7 mm. Jest on zbudowany z tkanki chrzęstnej oraz kostnej które dzielą kanał słuchowy zewnętrzny w stosunku 1:2. Pokryty jest od wewnątrz skórą, zawierającą gruczoły woskowinowe, której zadaniem jest wydzielanie woskowiny (wydzieliny zapobiegającej dostaniu się zanieczyszczeń do przewodu słuchowego), oraz włosków rozprowadzających woskowinę. Na jego końcu znajduje się błona bębenkowa.

Ucho środkowe

Ucho środkowe to niewielka przestrzeń w czaszce wypełniona powietrzem. Jego zadaniem jest mechaniczne wzmocnienie i doprowadzenie fal dźwiękowych do ucha wewnętrznego (poprzez okienko owalne). Część drgań przechodzi też bezpośrednio na okienko okrągłe. W skład ucha środkowego wchodzi błona bębenkowa, trzy kosteczki słuchowe oraz trąbka Eustachiusza, a także powierzchnia zewnętrzna okienka owalnego.

Błona bębenkowa - błona oddzielająca przewód słuchowy zewnętrzny od ucha środkowego, zamienia fale dźwiękowe w drgania mechaniczne, pobudzając kosteczki słuchowe.

Trzy kosteczki słuchowe - młoteczek, kowadełko, strzemiączko. Młoteczek z jednej strony łączy się z błoną bębenkową, a z drugiej strony łączy się z kowadełkiem, kowadełko ze strzemiączkiem, a ono z kolei łączy się z błoną okienka owalnego. Ich zadaniem jest wzmocnienie drgań błony bębenkowej i doprowadzenie ich do ucha wewnętrznego. Wzmocnienie jest osiągane dzięki temu, że powierzchnia młoteczka łącząca się z błoną jest większa od powierzchni strzemiączka, tworząc przekładnię wzmacniającą (do około 33 decybeli). Istotną rolę odgrywają tu też dwa mięśnie - napinacz błony bębenkowej, który przy rozluźnieniu osłabia drgania zbyt mocnych dźwięków oraz mięsień strzemiączkowy mający analogiczną rolę. Kosteczki słuchowe są najmniejszymi kośćmi organizmu ludzkiego.

Trąbka słuchowa (trąbka Eustachiusza) - kanał łączący ucho środkowe z gardłem, o długości ok. 35 mm. Normalnie otwarta jest jedynie wąska część, ale jej przekrój może się zwiększać w celu wyrównania ciśnienia powietrza w uchu. Jest to droga którą mogą wnikać patogeny lub szerzyć się procesy zapalne (zapalenie ucha środkowego).

Powierzchnia zewnętrzna okienka owalnego.

Ucho wewnętrzne

. Składa się ono z przestrzeni wewnątrz kości czaszki, zwanych błędnikiem kostnym. W jego wnętrzu mieści się błędnik błoniasty wypełniony płynem. Część błędnika przylegającego do ucha środkowego to przedsionek. Łączą się z nim ślimak i kanały półkoliste. Kanały półkoliste służą do rejestrowania zmian położenia ciała. Są narządem zmysłu równowagi. Ucho wewnętrzne:

ślimak

trzy kanały półkoliste

nerw słuchowy

Elementy odpowiedzialne za słuch

Okienko owalne (przedsionka) - błona stykająca się bezpośrednio ze strzemiączkiem, ułatwiająca przejście drgań z ucha środkowego do wnętrza ślimaka. Drgania przechodzą do schodów przedsionka, czyli zewnętrznej komory ślimaka.

Okienko okrągłe - błona nie stykająca się z zewnątrz z żadną z kostek, ale również mogąca przekazywać (nie wzmocnione) drgania do wnętrza ślimaka. Stanowi wyłom stykający się ze schodami ślimaka (środkowa komora ślimaka).

Ślimak - najważniejsza część ucha wewnętrznego, z wyglądu przypominająca muszlę ślimaka. Jest to długi, zwężający się kanał kostny, zwinięty spiralnie i wypełniony w całości płynem, w którym zawieszone są otolity (kryształki CaCO₃). W środku przedzielony jest dwoma błonami - błoną podstawową i błoną Reisnera (inaczej przedsionkową). Dzielą one ślimaka na trzy komory nazywane schodami przedsionka, ślimaka i bębenka. Wewnątrz schodów ślimaka znajduje się narząd Cortiego, który zamienia pobudzenia znajdujących się na nim rzęsek w impulsy nerwowe. Zniszczenie narządu Cortiego powoduje całkowitą głuchotę.

Elementy odpowiedzialne za równowagę

kanały półkoliste

woreczek

łagiewka

12. Teoria Bekesy'ego. Teoria fal biegnących Bekesy'ego- pod wpływem drgań dochodzi do powstawania fal biegnących na ślimaku, które powodują wychylenia błony podstawnej. Fale biegnące „przesuwają się” na różne odległości wzdłuż błony podstawnej ślimaka osiągając największą amplitudę w miejscach odpowiadających częstotliwości drgań. Najprawdopodobniej pod wpływem odkształcenia błony podstawnej, w miejscu największej amplitudy fali biegnącej, górne części komórek rzęsatych ulegają chwilowemu przemieszczeniu. Występuje wówczas ruch ugięcia rzęsek prowadzący do powstania potencjałów mikrofonicznych i sumacyjnych ślimaka.

13. Wielkości fotometryczne odnoszące się do źródła światła i powierzchni oświetlanej (światłość, luminacja, strumień świetlny, natężenie oświetlenia).
Światłość źródła (I) — dawniej nazywana natężeniem źródła światła).

Jest to wielkość, charakteryzująca źródło światła pod względem energetycznym. Wyrażamy ją w kandelach (1 cd). Kandela jest jedną z jednostek podstawowych w układzie SI, a jej naukowa definicja to: światłość, jaką ma w kierunku prostopadłym powierzchnia 1/600 000 m² promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101 325 Pa.

Warto dodać, że światłość źródła rozciągłego zmienia się w zależności od kąta obserwacji proporcjonalnie do cos α (gdzie α oznacza kąt zawarty między kierunkiem obserwacji a normalną do powierzchni obserwowanej).

Strumień świetlny (Ф).

Wielkość ta wiąże się ze światłością źródła, a wyraża się wzorem:

gdzie I oznacza światłość źródła mierzoną w kandelach,

a ∆ω— kąt bryłowy, w którym rozchodzi się strumień.

Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (1 lm). Jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 steradiana przez umieszczone w wierzchołku tego kąta punktowe, emitujące izotropowo źródło światła o światłości 1 kandeli.

Strumień świetlny można mierzyć także ilością energii przechodzącej w jednostce czasu przez powierzchnię S znajdującą się w polu świetlnym, a więc wyrażać go w watach.

Na podstawie wzoru definiującego strumień świetlny możemy obliczyć światłość źródła:

Zauważmy, że dla źródła punktowego o światłości 1 cd strumień świetlny emitowany w pełnym kącie bryłowym wynosi 4π lumenów. Jeżeli mamy do czynienia ze źródłem rozciągłym, jego światłość oceniamy dzieląc je na drobne (w przybliżeniu punktowe) elementy powierzchniowe i obliczając z powyższego wzoru światłość każdego z nich. Otrzymane wartości światłości następnie sumujemy.

Luminancja (B) — inaczej zwana blaskiem lub jasnością powierzchniową.

Luminancja jest wielkością służącą do fotometrycznego opisu źródeł rozciągłych. Luminancję charakteryzuje promieniowanie, które rozpatrywana powierzchnia wysyła w określonym kierunku.

Rozpatrzmy powierzchnię S, emitującą w danym kierunku promieniowanie o światłości I. Rzut tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku nazwijmy S'. Luminancją powierzchni S źródła rozciągłego nazwiemy stosunek światłości I do wielkości S'. Obliczamy ją, znając wielkość powierzchni S oraz wartość kąta α pomiędzy normalną do niej a wybranym kierunkiem promieniowania.

Jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy. Jest to luminancja powierzchni o światłości 1 cd, jeżeli powierzchnia rzutu S' prostopadła do wyróżnionego kierunku wynosi 1 m².

Luminancji dotyczy jedno z praw fotometrycznych, prawo Lamberta, mówiące, że luminancja powierzchni emitującej jest niezależna od kąta, pod jakim tę powierzchnię obserwujemy. Jest to zrozumiałe, ponieważ światłość źródła I obserwowanego pod kątem α jest proporcjonalna co cos α, a z drugiej strony powierzchnia świecąca, obserwowana pod tymże kątem, doznaje perspektywicznego skrótu w stosunku cos α: S' = S cos α .

Natężenie oświetlenia (E)

Natężeniem oświetlenia nazywamy stosunek strumienia świetlnego padającego na powierzchnię S ustawioną prostopadle do kierunku strumienia, do wielkości tej powierzchni. Jednostką natężenia oświetlenia jest luks (1 lx). Jest to natężenia oświetlenia powierzchni 1 m2, przez którą przechodzi strumień świetlny o wartości 1 lm.

Podstawiając do powyższego wzoru wartość strumienia, otrzymujemy:

Jeżeli odległość r powierzchni oświetlanej o wielkości S od źródła światła jest na tyle duża, aby powierzchnię tę można było potraktować jako wycinek kuli, w miejsce ω możemy podstawić:

Powstaje wówczas końcowy wzór:

Natężenie oświetlenia jest zatem wprost proporcjonalne do światłości źródła i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między źródłem a powierzchnią oświetlaną.

Zależność tę wykorzystujemy, porównując oświetlenie dwóch powierzchni odległych od tego samego źródła światła o r₁ i r₂:

Powyższe równanie nosi nazwę prawa odwrotnych kwadratów.

Natężenie oświetlenia zależy również od kąta padania promieni na oświetlaną powierzchnię. Wyraża to zależność:

.

gdzie α jest kątem pomiędzy kierunkiem padania promieni a normalną do powierzchni oświetlanej.

Jest to podstawowe prawo fotometrii, z którego wynika, że gdy światło pada na powierzchnię prostopadle (α = 0˚, cos α = 1), natężenie oświetlenia przybiera wartość maksymalną, natomiast gdy wiązka jest do powierzchni równoległa (α = 90˚, cos α = 0), natężenie oświetlenia E jest równe 0.

Naświetlenie (H), zwane też ekspozycją.

Jest to iloczyn natężenia oświetlenia E i czasu ekspozycji (oświetlania) danej powierzchni.

14. Skład krwi, W skład krwi wchodzą składniki komórkowe (ok. 44%) i osocze (ok. 55%). Dalsze składniki krwi to hormony, rozpuszczone gazy oraz substancje odżywcze (cukier, tłuszcze i witaminy), transportowane do komórek, a także produkty przemiany materii (np. mocznik i kwas moczowy), niesione z komórek do miejsc gdzie mają być wydalone.
We krwi mężczyzny komórki stanowią od 44 do 46%, u kobiet od 41 do 43% objętości krwi. Komórki krwi dzielą się na: erytrocyty (popularnie zwane czerwonymi krwinkami), leukocyty(białe krwinki) oraz trombocyty (płytki krwi). Procentową zawartość objętościową erytrocytów nazywa się hematokrytem. U noworodków hematokryt wynosi około 60%, a u małych dzieci około 30%. Do okresu pokwitania hematokryt rośnie do wartości właściwej dla dorosłych.
inne sposoby oznaczania elementów morfotycznych krwi.

15. Ciała optycznie czynne.

To ciała, które w stanie stałym, ciekłym lub gazowym skręcają płaszczyznę polaryzacji światła; skręcenie światła może nastąpić w prawą lub lewą stronę - polaryzacja prawo- i lewoskrętna. Wielkość kąta skręcenia zależy od grubości warstwy ośrodka skręcającego, od rodzaju substancji skręcającej oraz od stężenia, jeśli mamy do czynienia z roztworem. Kąt zależy także od długości fali światła spolaryzowanego. Do pomiaru skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w substancjach optycznie czynnych służą polarymetry.

1. Soczewki cienkie, zdolność skupiająca soczewek i układu soczewek.
Soczewki cienkie:
Zdolnością skupiającą (zbierającą) lub rozpraszającą soczewki nazywamy następującą wielkość D:

Zdolność skupiająca soczewki może być dodatnia (soczewki skupiające) lub ujemna (soczewki rozpraszające). Jej wartość wyrażamy w dioptriach (D). Liczba dioptrii jest równa odwrotności ogniskowej (wyrażonej w metrach).

Zdolność skupiająca układu wielu soczewek cienkich, umieszczonych tuż obok siebie, jedna za drugą, na wspólnej osi optycznej, jest sumą zdolności zbierających poszczególnych soczewek (które mogą przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne):

Jeżeli natomiast układ stanowią dwie soczewki cienkie ustawione w odległości d od siebie, to jego zdolność skupiającą wyrażamy wzorem:

2. Soczewki grube.
SOCZEWKI GRUBE

Soczewki grube, czyli takie, których grubości nie można zaniedbać w porównaniu z ich średnicą i ogniskową, stanowią większość soczewek rzeczywistych (należy do nich m.in. soczewka oka).

Schemat biegu promieni w soczewce grubej przedstawia rysunek:

Promień 1, padający równolegle do osi optycznej soczewki, załamuje się dwukrotnie na jej powierzchniach, po czym wychodzi z niej przez ognisko soczewki F₂. Przedłużenia promieni padającego i wychodzącego przecinają się w punkcie C₂. Prostopadła do osi soczewki poprowadzona z tego punktu przecina ją w punkcie G₂, zwanym punktem głównym (obrazowym). Płaszczyzna poprowadzona przez punkty C₂ i G₂ nazywana jest płaszczyzną główną (obrazową) soczewki.

Promień 2 biegnie odwrotnie do promienia 1 — przed wejściem do soczewki przechodzi przez ognisko F₁, a wychodzi z soczewki równolegle do osi optycznej. Z przecięcia przedłużeń promieni padającego i wychodzącego wyznaczamy punkt C₁, a prowadząc prostopadłą — punkt G₁. Punkt G₁ nazywa się punktem głównym (przedmiotowym), a płaszczyzna poprowadzona przez punkty C₁ i G₁ — płaszczyzną główną (przedmiotową) soczewki.

Promień 3, padający na powierzchnię soczewki tak, że jego przedłużenie przecina punkt G₁, załamuje się w niej dwukrotnie i wychodzi tak, że jego przedłużenie przecina punkt G₂. Po wyjściu z soczewki biegnie zatem równolegle do swego biegu początkowego, lecz doznaje przesunięcia o odległość a (G₁-G₂). Można wykazać, że odległość ta jest zależna od grubości soczewki d oraz od współczynnika załamania światła, co prezentuje przybliżona zależność:

Odległość a jest zarazem odległością, na jaką rozsunięte są ogniskowe soczewki f₁ (ogniskowa przedmiotowa) i f₂ (ogniskowa obrazowa), definiowane jako odległości F₁-G₁ i F₂-G₂. Ogniskowe te są sobie równe, gdy soczewka umieszczona jest w środowisku jednorodnym. Jeżeli współczynniki załamania światła środowisk, w których biegną promienie świetlne przed wejściem i po wyjściu z soczewki, są różne, wówczas różnią się także ich ogniskowe.

Wzór soczewkowy dla soczewek grubych przybiera wartość:

gdzie f jest ogniskową soczewki (zakładamy, że soczewki umieszczona jest w jednorodnym ośrodku otaczającym);

x — odległością przedmiotu od środka optycznego soczewki;

y — odległością obrazu od środka optycznego soczewki;

n — względnym współczynnikiem załamania światła soczewki względem ośrodka otaczającego;

r₁ i r₂ są promieniami krzywizny soczewki,

a d — jej grubością.

3. Konstrukcja obrazów w soczewkach grubych, wady odwzorowań soczewek i ich korygowanie.

Wady odwzorowań soczewek występują zawsze. Przyczyną tego nie są techniczne niedokładności w ich wykonaniu, lecz prawa fizyki, z których wynika niemożność idealnie dokładnego odwzorowania pewnego skończonego obszaru przestrzeni (przedmiotu) za pomocą wiązek światła załamanego na powierzchni kulistej.

Do najczęściej spotykanych wad soczewek należą: aberracja chromatyczna, aberracja sferyczna i astygmatyzm. Innymi spotykanymi wadami odwzorowań są jeszcze: dystorsja, koma, krzywizna pola obrazu itp.

1. Aberracja chromatyczna.

Wada ta jest wynikiem rozszczepiania światła białego. Wskutek tego procesu punkt wysyłający światło białe nie daje obrazu punktowego, lecz nieskończenie wiele obrazów jednobarwnych, położonych w różnych miejscach i częściowo się pokrywających. Obraz, jaki otrzymujemy na ekranie, jest nieostrą plamką otoczoną barwną obwódką. Kolor zarówno plamki, jak i obwódki, zależy od położenia ekranu względem soczewki.

Z praw załamania wynika, że ogniskowa soczewki dla promieni fioletowych (o mniejszej długości fali) jest krótsza, czyli że ognisko tych promieni znajduje się bliżej, a dla promieni czerwonych (o większej długości fali) — dłuższa, co odpowiada ognisku położonemu dalej. Miarą aberracji chromatycznej jest odległość między tymi ogniskami.

Wadę tę korygujemy, stosując układy optyczne złożone z soczewki skupiającej z lekkiego szkła potasowego (crownu, o małej dyspersji) oraz rozpraszającej ze szkła ołowiowego (flintu, o większej dyspersji). Ponieważ odchylenie promieni wywołane przez obie soczewki zachodzi w przeciwnych kierunkach, przy doborze odpowiednich wartości krzywizn i współczynników załamania rozszczepienie powodowane przez pierwszą z nich może zostać praktycznie zniesione przez drugą.

2. Aberracja sferyczna.

Wada ta polega na tym, że w soczewce w inny sposób ulegają załamaniu promienie brzegowe i osiowe (wiązki światła biegnące najdalej i najbliżej osi optycznej). Promienie brzegowe załamywane są mocniej niż osiowe, co powoduje powstanie dwóch ognisk soczewki i zniekształcenie obrazu. Ulega on rozmyciu, z obrazu punktowego przekształcając się w niewyraźną jasną plamkę.

Wadę tę możemy zmniejszać, stosując odpowiednie przesłony (diafragmy) zasłaniające brzegowe części soczewki. Powoduje to jednak zmniejszanie ilości energii świetlnej przechodzącej przez soczewkę, co odbija się niekorzystnie na jasności obrazu. Ponadto im mniejszy jest otwór, przez który światło przechodzi, tym bardziej znaczące stają się efekty dyfrakcyjne, sprawiające, że obraz staje się nieostry. Dlatego też lepszym sposobem niż stosowanie diafragm jest zestawianie soczewek w układy o odpowiednio dobranych krzywiznach i wzajemnych odległościach.

3. Astygmatyzm.

Wada ta polega na tym, że po przejściu światła przez soczewkę odwzorowaniem pojedynczego punktu stają się dwa odcinki, wzajemnie prostopadłe i nieco od siebie nawzajem oddalone.

Astygmatyzm występuje w dwóch przypadkach. Może być spowodowany techniczną niedoskonałością soczewki — gdy jej powierzchnie nie są idealnie kuliste, lecz np. elipsoidalne, tak że promienie krzywizny soczewki są różne w różnych płaszczyznach. Może również pojawiać się w wyniku skośnego w stosunku do głównej osi optycznej soczewki padania promieni świetlnych (tzw. astygmatyzm wiązek skośnych).

Gdy promienie krzywizny soczewki są niejednakowe, w swoich różnych przekrojach ma ona różne zdolności skupiające, co przekłada się na różne ogniskowe. Każdemu przekrojowi odpowiada zatem inny kierunek i odległość odwzorowania.

Astygmatyzm wiązek skośnych jest znacznie trudniejszy do wyeliminowania, a jego pojawianiu się nie przeciwdziała nawet najdoskonalej kulisty kształt soczewki. Gdy promienie świetlne padają na soczewkę z punktu umieszczonego na jej osi optycznej, kąt obejmujący całą jej średnicę ma dużą rozwartość, a więc krzywizna „widziana” od strony źródła światła jest normalna. Kiedy natomiast światło pada na soczewkę z innego miejsca, promienie obejmują ją pod innym kątem, co powoduje, że każdy z nich przebiega przez fragment o innej pozornej krzywiźnie. Dla każdego elementu wiązki soczewka ma zatem inną zdolność skupiającą i ogniskową. Daje to taki efekt, jak gdyby soczewka miała różne promienie krzywizny.

Ponieważ w przyrządach optycznych nie można zrezygnować z udziału wiązek skośnych w tworzeniu obrazu, celem korekcji astygmatyzmu stosuje się układy soczewek.

1. Mikroskop optyczny, bieg promieni w mikroskopie optycznym, powiększenie mikroskopu, zdolność rozdzielcza mikroskopu.

Układ optyczny mikroskopu tworzą w zasadzie dwie soczewki zbierające, których środki leżą na wspólnej osi optycznej. Soczewki te noszą nazwy obiektywu i okularu.

Obiektyw jest soczewką o krótkiej (rzędu kilku milimetrów) ogniskowej, okular — soczewką o ogniskowej dłuższej (rzędu kilku centymetrów). Dzięki odpowiedniemu ustawieniu obu tych soczewek względem siebie, przedmiot obserwowany umieszczony w niewielkiej odległości od obiektywu może zostać powiększony od kilkudziesięciu do około dwóch tysięcy razy.

Schemat obserwacji przedmiotu w mikroskopie optycznym jest następujący:

• Przedmiot obserwowany umieszczamy przed obiektywem w odległości x₁ (2f_ob > x₁ > f_ob) i uzyskujemy obraz rzeczywisty, powiększony i odwrócony.

• Uzyskany w obiektywie obraz staje się przedmiotem powiększanym przez okular.

• Obraz ten znajduje się przed okularem w odległości x₂ (x₂ < f_ok), w wyniku uzyskujemy zatem obraz pozorny, powiększony i prosty.

• Obraz uzyskany w mikroskopie (obiektyw + okular) jest pozorny, powiększony i odwrócony. Po wybiegnięciu z okularu promienie załamują się na siatkówce oka obserwatora, dając w efekcie obraz rzeczywisty.

Bieg promieni w mikroskopie optycznym przedstawia się następująco:

Mniejszą soczewką na obrazie jest obiektyw, którego ogniskowa zaznaczona jest kropkami na osi optycznej.

Większa soczewka to okular, którego ogniskową zaznaczono na osi optycznej kwadracikami.

Kolorem niebieskim zaznaczony został przedmiot obserwowany.

Kolorem zielonym — obraz powstały w obiektywie, a zarazem przedmiot powiększenia okularu.

Kolorem czerwonym — obraz uzyskany w okularze, czyli widziany przez obserwatora w mikroskopie.

POWIĘKSZENIE MIKROSKOPU

Powiększenie P mikroskopu jest iloczynem powiększeń obiektywu i okularu. Wyrażamy je wzorem:

gdzie P_ob jest powiększeniem obiektywu,

P_ok — powiększeniem okularu

f_ob — ogniskową obiektywu

f_ok — ogniskową okularu

L — długością tubusu, czyli odległością między obiektywem a okularem

d — tzw. odległością dobrego widzenia (około 25 cm).

ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA MIKROSKOPU

Uzyskiwanie coraz znaczniejszych powiększeń oglądanych przedmiotów powoduje postępujące zmniejszanie wyrazistości szczegółów ich budowy. Zjawiska dyfrakcyjne, zachodzące na drobnych elementach preparatu, powodują bowiem zniekształcenie odwzorowania.

Zdolnością rozdzielczą D mikroskopu nazywamy odwrotność najmniejszej odległości d dzielącej na powierzchni przedmiotu obserwowanego dwa punkty, które na obrazie możemy rozróżnić jeszcze jako oddzielne.

1. Mikroskop optyczny o jasnym polu widzenia, apertura numeryczna mikroskopu, kąt aperturowy, ciecz immersyjna, obiektyw immersyjny.

OBSERWACJE W JASNYM POLU WIDZENIA

• Preparat oświetlony jest wiązką prostopadłą do jego powierzchni (oświetlacz Becka - półprzeźroczysta płytka szklana ustawiona pod kątem 45° do osi optycznej obiektywu). Obraz jest płaski z ostrymi i wąskimi konturami szczegółów.

Zalety:

• Pełne wykorzystanie apertury obiektywu i tym samym zdolności rozdzielczej.

Wady:

• Duże straty światła na płytce półprzeźroczystej zmniejszają jasność i kontrast.

• Konieczność używania silnych źródeł światła np. lampy rtęciowej lub ksenonowej.

Ilość światła wchodząca do układu optycznego mikroskopu jest tym większa, im większy jest kąt aperturowy obiektywu. Kątem aperturowym α nazywamy kąt rozwartości stożka świetlnego wchodzącego do obiektywu (inaczej mówiąc: jest to połowa kąta, jaki tworzą dwa promienie rozpoczynające się na osi optycznej przedmiotu obserwowanego i wchodzące jeszcze do obiektywu). Kąt ten może ulegać zmianie w zależności od rodzaju środowiska znajdującego się między obiektywem a przedmiotem obserwowanym (a konkretnie: od współczynnika załamania światła tego środowiska).

Wielkością bezpośrednio powiązaną w kątem aperturowym jest apertura numeryczna A mikroskopu. Jest ona iloczynem współczynnika załamania środowiska znajdującego się między przedmiotem obserwacji a obiektywem i sinusa kąta aperturowego dla tego środowiska.

Kąt aperturowy mikroskopu może ulegać wyraźnemu ograniczeniu w przypadku, gdy przestrzeń między obserwowanym przedmiotem a obiektywem wypełniona jest przez powietrze. Współczynnik załamania powietrza jest mniejszy niż szkła, co powoduje, że na granicy tych dwu środowisk nader często pojawia się całkowite wewnętrzne odbicie. Zmniejsza to wydatnie ilość światła wchodzącego do obiektywu, a w konsekwencji — niekorzystnie wpływa na jasność obrazu.

W technice optycznej dąży się do rozwiązania tego problemu, wykorzystując zjawisko immersji. Zjawisko to polega na wprowadzeniu między przedmiot obserwowany a obiektyw cieczy (woda, gliceryna, olejek cedrowy) o współczynniku załamania światła możliwie bliskim współczynnikowi załamania szkła. Sprawia to, że zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia przestaje zachodzić lub znacznie zmniejsza się jego zakres, a w konsekwencji — większa ilość światła dostaje się do obiektywu. Ciecz, którą wprowadzamy między obiektyw a przedmiot obserwowany, nazywamy cieczą immersyjną, a obiektyw taki — obiektywem immersyjnym.

1. Równanie fali płaskiej Równanie to opisuje wartość wychylenia wybranego punktu fali (oddalenie punktu od położenia równowagi) po upływie określonego czasu t od rozpoczęcia drgań. Przyjmujemy oczywiście, że w chwili rozpoczęcia drgań punkt znajdował się w położeniu równowagi. Kierunek rozchodzenia się fali nakładamy na oś x układu współrzędnych, wartość wychylenia mierzymy na osi y.

Równanie fali płaskiej będzie wyglądało nieco inaczej w zależności od tego, w którym kierunku biegnie fala.

Jeżeli przyjmiemy, że zaburzenie rozchodzi się „w prawo”, czyli zgodnie z dodatnim zwrotem osi x, równanie fali płaskiej przybiera postać:

Jeżeli zaburzenie rozchodzi się „w lewo”, czyli zgodnie z ujemnym zwrotem osi x, wartości prędkości fali (będącej oczywiście wektorem), należy przypisać wartość ujemną. Zmienia to postać równania w następujący sposób:

Wielkości występujące w powyższych wzorach oznaczają:

Ψ — wychylenie punktu

λ — długość fali

x — odległość punktu od źródła fali

T — okres drgań punktu

A — amplituda drgań.

energia fali, jednostka

Fala biegnąca niesie energię uzyskaną ze źródła wytwarzającego fale.

moc źródła - ilość pracy wykonywanej podczas wytwarzania fali w źródle w jednostce czasu

gęstość energii, jednostka
Natężenie fali możemy określić również posługując się pojęciem gęstości energii w, którą określamy jako ilość energii (np. kinetycznej i potencjalnej ruchu drgającego) zawartej w jednostce objętości, i prędkością fali v:

natężenie fali akustycznej

Moc przypadająca na jednostkę powierzchni czoła fali.

Aby dźwięk mógł zostać odebrany musi mieć minimalną częstotliwość oraz minimalne natężenie tzw. natężenie progowe.

Poziom natężenia dźwięków (głośności) określa związek

L = log J − log J₀

J - dźwięk wydawany J₀ - próg słyszalności

Jednostka: bell.

2. Czas rewerberacji. Akustyka sal zależy m.in. od tak zwanego czasu rewerberancji. Jest to odstęp czasu, po którym natężenie głosu (po umilknięciu źródła) maleje 10⁶ razy w stosunku do natężenia początkowego. Im mniejszy jest ten czas, tym lepsza akustyka pomieszczenia, i przeciwnie — dłuższy czas rewerberacji (będący skutkiem pogłosu) powoduje pogorszenie akustyki wnętrza. Czas rewerberancji nie powinien jednak być zbyt krótki, ponieważ osłabiałoby to globalną energię dźwięku docierającą do słuchaczy.

3. Ciśnienie akustyczne, jednostka, amplituda ciśnienia akustycznego.
Zmiany gęstości cieczy lub gazu, w których rozchodzi się dźwięk, są spowodowane naprzemiennym ściskaniem i rozprężaniem warstwy ośrodka przez ciało drgające będące jego źródłem. Zmiany te wywołują w ośrodku zmiany ciśnienia, którego wartość chwilowa osiąga większą lub mniejszą wartość od ciśnienia atmosferycznego. Różnicę tych dwu ciśnień nazywamy ciśnieniem akustycznym p.

Ciśnienie akustyczne w danym punkcie przestrzeni jest funkcją czasu — zmienia się sinusoidalnie. W chwili maksymalnego odchylenia punktu ośrodka od położenia równowagi jego wartość jest największa. Nazywamy ją amplitudą ciśnienia akustycznego.

Chwilowe ciśnienie akustyczne w danym punkcie przestrzeni zależy zarówno od stałej prędkości fali dźwiękowej w danym ośrodku, jak i od zmiennej w czasie prędkości cząsteczek ośrodka (prędkości te nie są równoważne!), a wyrażane jest wzorem:

Ciśnienie akustyczne opisuje natężenie dźwięku i wyraża się w paskalach.

4. Akustyczna oporność falowa (rezystancja akustyczna), jednostka.

Oporność falowa (impedancja akustyczna) w akustyce to miara oporu, jaki stawia ośrodek, rozchodzącej się w nim fali dźwiękowej, jest szczególnym przypadkiem impedancji falowej. Określa ją wzór:

gdzie

różnica pomiędzy ciśnieniem w amplitudzie fali dźwiękowej a ciśnieniem niezaburzonego ośrodka,

prędkość cząsteczek ośrodka ruchu drgającego wywołanych różnicą ciśnień.

Jednostką oporności falowej jest

Z definicji oporności falowej wynika związek:

gdzie

gęstość ośrodka,

prędkość fali w danym ośrodku.

Różnice oporności falowej ośrodków, między którymi przechodzi lub od którego odbija się fala określają współczynniki odbicia fali od granicy ośrodków jak i przechodzenia fali do drugiego ośrodka.

5. Zjawisko odbicia fali akustycznej, współczynnik odbicia. Załamanie fali akustycznej, pochłanianie fali akustycznej. Zjawisko odbicia fal w akustyce znamy pod nazwą echa oraz pogłosu — wielokrotnych odbić i chaotycznego nakładania się fal odbitych najczęściej od gładkich ścian dużej sali. Na ogół jest to zjawisko niekorzystne dla akustyki wnętrz, ponieważ zakłóca odbiór muzyki, zrozumiałość mowy itp. Aby zapobiec pogłosowi, stosuje się materiały silnie tłumiące dźwięki przy odbiciu — np. tkaniny, perforowane wykładziny ścian itp.

W pewnych ośrodkach zachodzić może pochłanianie fali akustycznej, czyli tłumienie dźwięku. Proces pochłaniania fali dźwiękowej przebiega zgodnie z prawem Lamberta:

co oznacza, że natężenie dźwięku maleje wykładniczo podczas przechodzenia przez warstwę tłumiącą.

Fale akustyczne ulegają również ugięciu i załamaniu. Ugięcie występuje bardzo powszechnie, ponieważ większość przeszkód i otworów, jakie fale te napotykają na swojej drodze (okna, mury, drzewa) ma rozmiar porównywalny z długością fal — z tej przyczyny możemy słyszeć rozmowę odbywającą się za ścianą, nawet jeżeli nie znajdujemy się naprzeciw drzwi. Załamanie fal następuje na przykład w powietrzu o niejednakowej gęstości, dajmy na to, na otwartym terenie w słoneczny dzień. Poszczególne warstwy powierza w zależności od odległości od nagrzanej ziemi mają różne temperatury, a więc i gęstości, promień przechodzącej fali dźwiękowej może zatem ulegać w nich zakrzywieniu.

Jako fale mechaniczne, fale akustyczne ulegają również i wielu innym zjawiskom — np. interferencji. Obserwujemy także rezonans akustyczny i efekt Dopplera.

6. Prawo Webera- Fechnera. Prawo to w odniesieniu do wrażeń słuchowych można sformułować następująco: próg spostrzegania zmian bodźca (np. natężenia) jest proporcjonalny do wartości (natężenia) tego bodźca. Prawo to jest spełnione dla szumu szerokopasmowego i pasm szumu, natomiast dla tonów obserwuje się odstępstwa od tego prawa.
Prawo to mówi, że elementarna odczuwalna zmiana głośności ∆G zależy od stosunku zmiany natężenia dźwięku ∆I od wartości tego natężenia I i jest do tego stosunku wprost proporcjonalna.

gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności.

Prawo to jest sprawdzalne jedynie w pewnym ograniczonym zakresie częstotliwości i poziomów natężenia dźwięku — od około 500 Hz i 20 dB do 5000 Hz i 100 dB.

7. Natężenie dźwięku, poziom natężenia dźwięku, jednostka,
Natężenie dźwięku I wyraża stosunek mocy P dźwięku przechodzącego przez powierzchnię jednostkową. Moc P dźwięku jest równa mocy źródła, które go emituje.

Z gęstością energii dźwięku łączy je wzór:

gdzie w jest ilością energii przypadającą na jednostkę objętości ośrodka,

a v — prędkością dźwięku w tym ośrodku.

Z ciśnieniem akustycznym natomiast natężenie dźwięku wiąże się zależnością:

gdzie ρ oznacza gęstość ośrodka,

a c — prędkość dźwięku w tym ośrodku.

Widzimy zatem, że natężenie dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu ciśnienia akustycznego, a mówiąc ściśle — jego średniej wartości (ponieważ moc dźwięku jest pracą wykonaną przez zmieniające się ciśnienie w jednostce czasu).

Najmniejsza wartość natężenia dźwięku odbieranego przez ucho ludzkie wynosi ok. 10^-12 W/m² (dla częstotliwości ok. 1 kHz). Wartość największa, która nie powoduje jeszcze trwałego uszkodzenia słuchu (choć może wywoływać ból), wynosi ok. 1 W/m². Iloraz największego i najmniejszego natężenia dźwięku, jakie może odebrać ucho, wynosi zatem ok. 10¹² i nazywany jest zakresem dynamicznym ucha.

Ponieważ, jak widać, zakres dynamiczny ucha jest bardzo duży, dla wygody opisu ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku wybrano skalę logarytmiczną. Posługujemy się nią przy porównaniu natężenia obiektywnego zjawisk głosowych, nie określamy jednak absolutnego natężenia danego głosu, lecz logarytm stosunku jego natężenia I do natężenia I₀, pełniącego rolę wzorca. Liczbę jednostek tego względnego natężenia głosu wyznaczamy ze wzoru:

,

gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności, mającym zazwyczaj wartość 1 lub 10, a wartość L nazywamy poziomem natężenia dźwięku (słowo „poziom” sugeruje nam, że mamy do czynienia z wielkością odnoszoną do pewnej wielkości wzorcowej).

Jednostką skali logarytmicznej jest 1 bel. Dla k = 1 dźwięki o natężeniu I i I₀ różnią się o 1 bel wtedy, gdy stosunek
, tzn. gdy natężenie dźwięku wzorcowego jest dziesięciokrotnie mniejsze niż natężenie, które oceniamy.

Ponieważ bel jest jednostką dosyć dużą, w praktyce częściej posługujemy się decybelem (wówczas k = 10). 1 bel równa się 10 decybelom.

Jako natężenie wzorcowe, czyli tzw. natężenie odniesienia, przyjęto w fizyce wartość równą
10^-12 W/m², co odpowiada ciśnieniu o wartości 20 μPa (2 · 10^-5 N/m²). Logarytm stosunku ciśnienia akustycznego dźwięku do takiego ciśnienia odniesienia nazywany jest poziomem ciśnienia akustycznego dźwięku.

[dB SPL] z ang. sound pressure level

Wartość ciśnienia odniesienia została dobrana tak, aby odpowiadała progowi słyszalności (progowi absolutnemu) dla dźwięku sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHz.

Warto dodać, że obiektywną wartością natężenia dźwięku posługujemy się rzadko, ponieważ w praktyce ma ona niewielkie znaczenie — ten sam obiektywny wzrost natężenia w różnych okolicznościach możemy odbierać zupełnie inną zmianę siły głosu, a ponadto odbiór wrażeń słuchowych przez ucho ludzkie zależy nie tylko od natężenia, ale także od częstości dźwięku.

próg słyszalności, Dolna granica słyszalności (również próg słyszalności, próg absolutny, próg detekcji sygnału) jest określona przez poziom ciśnienia akustycznego, przy którym ucho zaczyna odbierać wrażenia dźwiękowe. Poziom ten zależy od częstotliwości. Dla przykładu aby usłyszeć ton o częstotliwości 100 Hz, poziom ciśnienia akustycznego musi być o 35 dB wyższy niż dla tonu 1 kHz^[1].

Statystycznie ucho jest najbardziej czułe dla tonu o częstotliwości ok. 4 kHz^[1]. Dla tonu o częstotliwości 1 kHz definiuje się nominalną wartość odniesienia ciśnienia akustycznego. Jest ona określona na poziomie 20 µPa, co odpowiada natężeniu dźwięku 10^-12 W/m^2[2]

Odbiór dźwięków (w tym również jego słyszalność) jest subiektywny i zależy od wieku, płci oraz innych cech osobniczych.
próg bólu,  wartość ciśnienia akustycznego, przy której jest odczuwany ból ucha. Jest ona słabo zależna od częstotliwości i wynosi 140 dB dla dźwięków sinusoidalnych oraz 120 dB dla szumów.

Wrażenie bólu wywołane jest reakcją mięśni bębenka i kosteczki ucha środkowego na impulsy wysokiego ciśnienia akustycznego. Reakcja ta ma na celu ochronę aparatu słuchowego przed ewentualnymi uszkodzeniami.

Ból działa obezwładniająco, toteż urządzenie dźwiękowe dalekiego zasięgu, które emitują dźwięki o natężeniu przekraczającym próg bólu, są stosowane m.in. przez służby porządkowe, podobnie jak armatki wodne.
próg zmiany. - najmniejsza dostrzegalna zmiana częstotliwości, wynosi 0,3% - 1%. Jest to cecha charakterystyczna, indywidualna dla każdego ucha; najmniejszy próg dla częstotliwości 500 - 4000Hz.

---