Cấu tạo kính hiển vi lớp 11: Nguyên lý và các thành phần cơ bản

Kính hiển vi là một dụng cụ quang học quan trọng trong việc quan sát các vật rất nhỏ. Cấu tạo của kính hiển vi bao gồm các bộ phận chính sau:

1. Vật Kính

• Vật kính là một thấu kính hội tụ có tiêu cự rất nhỏ, thường chỉ vài milimét.
• Chức năng của vật kính là tạo ra một ảnh thật của vật cần quan sát.

2. Thị Kính

• Thị kính là một thấu kính hội tụ hoặc một kính lúp, có tiêu cự nhỏ hơn, thường khoảng vài centimét.
• Thị kính giúp quan sát ảnh thật đã được tạo bởi vật kính.

3. Ống Kính và Bộ Phận Điều Chỉnh

• Vật kính và thị kính được gắn vào hai đầu của một ống trụ, trục của chúng trùng nhau.
• Khoảng cách giữa vật kính và thị kính không thay đổi, được gọi là độ dài quang học của kính hiển vi.

4. Gương Cầu Lõm

• Gương cầu lõm đóng vai trò tụ sáng, chiếu ánh sáng lên mẫu vật cần quan sát.

5. Sơ Đồ Tạo Ảnh

Trong kính hiển vi, vật kính tạo ảnh thật lớn hơn vật gốc. Ảnh này sau đó được phóng đại thêm bởi thị kính để tạo ra ảnh ảo, giúp mắt quan sát rõ ràng hơn.

6. Số Bội Giác của Kính Hiển Vi

• Số bội giác khi ngắm chừng ở vô cực: \[ G = \dfrac{\delta}{f_1} \cdot \dfrac{Đ}{f_2} \]
• Trong đó: \( \delta \) là độ dài quang học, \( f_1 \) là tiêu cự của vật kính, \( f_2 \) là tiêu cự của thị kính, \( Đ \) là khoảng cực cận của mắt.

Với cấu tạo và nguyên lý hoạt động như trên, kính hiển vi giúp phóng đại các vật nhỏ đến mức độ chi tiết, hỗ trợ trong nhiều nghiên cứu và phân tích khoa học.

Kính hiển vi là một thiết bị quang học hỗ trợ cho mắt người để quan sát những vật rất nhỏ, bằng cách tạo ra hình ảnh phóng đại với góc nhìn lớn. Thiết bị này đặc biệt hữu ích trong các nghiên cứu sinh học và hóa học, khi cần quan sát những chi tiết cực nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy được.

Cấu tạo của kính hiển vi bao gồm hai bộ phận chính:

• Vật kính (L₁): Đây là một thấu kính hội tụ có tiêu cự rất nhỏ (chỉ vài milimet), có nhiệm vụ tạo ra ảnh thật lớn hơn vật gốc.
• Thị kính (L₂): Là một thấu kính lúp có tiêu cự lớn hơn (vài centimet), dùng để phóng đại ảnh của vật đã được tạo bởi vật kính.

Hai thấu kính này được đặt đồng trục trong một ống kính với khoảng cách không đổi. Ngoài ra, còn có gương cầu lõm để chiếu sáng vật quan sát, giúp cải thiện độ rõ nét của ảnh. Việc điều chỉnh vị trí của các thấu kính thông qua ốc vi cấp cho phép hình ảnh cuối cùng nằm trong phạm vi nhìn rõ của mắt.

Kính hiển vi tạo ảnh nhờ quá trình quang học gồm hai giai đoạn chính:

• Giai đoạn đầu tiên: Vật kính tạo ảnh thật \( A_1B_1 \) lớn hơn vật thật. Ảnh này nằm trong khoảng từ quang tâm đến tiêu diện vật của thị kính.
• Giai đoạn tiếp theo: Thị kính đóng vai trò như một kính lúp, tạo ra ảnh ảo \( A_2B_2 \), lớn hơn và ngược chiều so với vật. Mắt quan sát ảnh này qua thị kính.

Quá trình quan sát cần điều chỉnh khoảng cách giữa vật và vật kính sao cho ảnh cuối cùng nằm trong khoảng nhìn rõ của mắt.

Ảnh này có thể được ngắm chừng ở vô cực để quan sát dễ dàng hơn. Trong thực tế, tiêu bản được đặt trên giá cố định, và ống kính di chuyển để điều chỉnh vị trí của ảnh.

Số bội giác của kính hiển vi là một yếu tố quan trọng để xác định khả năng phóng đại hình ảnh của kính. Kính hiển vi sử dụng hai thấu kính chính: vật kính và thị kính, để tạo ra ảnh có độ phóng đại lớn. Công thức tính số bội giác của kính hiển vi khi ngắm chừng ở vô cực là:

Trong đó:

• \( \delta \): Độ dài quang học của kính.
• \( Đ \): Khoảng cực cận của mắt người quan sát.
• \( f_1, f_2 \): Tiêu cự của vật kính và thị kính.

Ở chế độ ngắm chừng tại vô cực, vật kính tạo ra một ảnh thật lớn hơn vật gấp nhiều lần. Ảnh này sau đó được thị kính phóng đại thêm, tạo ra ảnh ảo có kích thước rất lớn mà mắt có thể quan sát được.

Kính hiển vi đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, giúp con người khám phá những điều chưa từng thấy và hiểu rõ hơn về thế giới vi mô. Dưới đây là một số ứng dụng thực tiễn quan trọng của kính hiển vi:

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học

Kính hiển vi đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong các lĩnh vực sinh học, hóa học, và vật lý. Một số ứng dụng cụ thể bao gồm:

• Nghiên cứu tế bào và vi sinh vật: Kính hiển vi giúp các nhà khoa học quan sát cấu trúc chi tiết của tế bào, vi khuẩn và virus. Nhờ đó, người ta có thể phân tích các quá trình sinh học như sự phân chia tế bào, tương tác giữa các vi khuẩn và cách thức hoạt động của virus.
• Nghiên cứu vật liệu: Trong lĩnh vực hóa học và vật lý, kính hiển vi được sử dụng để quan sát cấu trúc vi mô của các vật liệu như kim loại, hợp chất và chất bán dẫn. Điều này hỗ trợ phát triển các vật liệu mới với tính chất cải tiến, chẳng hạn như các vật liệu siêu dẫn và vật liệu nano.

4.2. Ứng dụng trong y tế và sinh học

Trong y tế, kính hiển vi đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Các ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Chẩn đoán bệnh: Các bác sĩ sử dụng kính hiển vi để kiểm tra các mẫu mô, tế bào và máu nhằm phát hiện các bệnh lý như ung thư, bệnh nhiễm trùng và các rối loạn về máu. Ví dụ, các tế bào ung thư có thể được phát hiện dựa trên hình dạng và cấu trúc bất thường của chúng khi quan sát dưới kính hiển vi.
• Phát triển thuốc: Kính hiển vi hỗ trợ trong việc nghiên cứu các tác động của thuốc lên tế bào và vi khuẩn, từ đó giúp các nhà khoa học phát triển các loại thuốc hiệu quả hơn trong điều trị bệnh.

Nhờ vào những tiến bộ không ngừng trong công nghệ kính hiển vi, khả năng quan sát và phân tích các cấu trúc vi mô đã được cải thiện đáng kể, mở ra nhiều cơ hội mới cho khoa học và y học.

Dưới đây là một số bài tập vận dụng về kính hiển vi, bao gồm các câu hỏi lý thuyết và bài tập thực hành tính toán, nhằm củng cố kiến thức về cấu tạo, chức năng và số bội giác của kính hiển vi.

5.1. Các câu hỏi lý thuyết

• Câu 1: Hãy nêu các bộ phận chính của kính hiển vi và vai trò của từng bộ phận.
• Câu 2: Trình bày cách tạo ảnh qua kính hiển vi khi quan sát ở cực cận và vô cực.
• Câu 3: Giải thích vì sao kính hiển vi có thể tạo ra ảnh có góc trông lớn hơn nhiều so với kính lúp.
• Câu 4: Nêu điều kiện để kính hiển vi tạo ra ảnh ảo tại vô cực và cực cận.
• Câu 5: Hãy giải thích cách điều chỉnh kính hiển vi khi ngắm chừng ở vô cực.

5.2. Bài tập thực hành tính toán

1. Bài tập 1: Một kính hiển vi có độ dài quang học \(\delta = 20\) cm. Biết tiêu cự của vật kính là \(f_1 = 0.5\) cm và tiêu cự của thị kính là \(f_2 = 2.5\) cm. Hãy tính số bội giác của kính hiển vi khi ngắm chừng ở cực cận, biết khoảng cực cận của mắt là \(D = 25\) cm.

   Hướng dẫn giải:

   Số bội giác của kính hiển vi được tính theo công thức:

   \[
   G = \left( \frac{D}{f_2} \right) \times \left( \frac{\delta}{f_1} \right)
   \]

   Thay các giá trị đã biết vào công thức, ta có:

   \[
   G = \left( \frac{25}{2.5} \right) \times \left( \frac{20}{0.5} \right) = 10 \times 40 = 400
   \]

   Vậy số bội giác của kính hiển vi là \(G = 400\).

2. Bài tập 2: Một kính hiển vi được sử dụng để quan sát một vật nhỏ với khoảng cách từ vật đến vật kính là \(d_1 = 1.5\) cm. Biết tiêu cự của vật kính là \(f_1 = 1\) cm. Tính khoảng cách từ vật kính đến ảnh thật đầu tiên được tạo ra bởi vật kính.

   Hướng dẫn giải:

   Sử dụng công thức thấu kính hội tụ:

   \[
   \frac{1}{f_1} = \frac{1}{d_1} + \frac{1}{d'_1}
   \]

   Thay các giá trị vào:

   \[
   \frac{1}{1} = \frac{1}{1.5} + \frac{1}{d'_1}
   \]

   Giải phương trình ta được:

   \[
   d'_1 = 3 \text{ cm}
   \]

   Vậy khoảng cách từ vật kính đến ảnh thật là 3 cm.