常用光学仪器

常用光学仪器本节前言大约 400 多年前，荷兰的米德堡城里住着一个磨眼镜片名叫詹森的玻璃技师。他的两个男孩 又天真又淘气。一次詹森因事外出，弟兄俩爬上他的工作台玩玻璃片。他们用铜管两端放上 玻璃片，对准一本书看去。新奇的事出现了，一个逗号竟象一个胖蝌蚪似地爬在那里。詹森 后来做了更高明的管子：管子细长，两端各固定一块凸透镜，管子的长度还可以调整。这便 是 1590 年制成的第一具显微镜。詹森的生意就越来越兴隆。名声很快传了出去。这消息传到伽利略耳里时，竟成了荷兰有人发明了可以看见远处物体的仪器。在这一误 传之下，伽利略制成了第一具望远镜。1827 年，法国写生画家达格尔开始钻研摄影术。他拿所有的钱去向光学家购买贵重的 透镜，向药房买药品，不分昼夜地一个人关在暗室里。达格尔把一片铜板镀了银，把它放在 水银蒸汽中，然后把这张片子装到摄影机上，对准物体进行拍照，拍照后再作一番处理，片 子上有光照的地方就会变成黑色。因为达格尔制成的镀银铜板感光性能很差，所以拍一次照 片十分费事。一个人要照像，得先在脸上涂一层白粉，然后在摄影机前一动不动地坐上半小 时。我们现在所运用的显微镜、望远镜、照相机在构造上、功能上与早期相比都有了很大改 进。这节中我们对它们的结构，工作原理作具体介绍，并结合动画来生动演示各自的成像过 程。本节知识要点：显微镜望远镜 照相机视角 放大镜人的眼睛对光线的折射作用，相当于一个凸透镜（焦距约为1.5 cm）,可用晶状体代表。 一般情况下，被观察的物体都在二倍焦距以外，因此会在视网膜上形成倒立、缩小的实像 引起视觉。长期的生活经验，使我们产生倒像是正立的感觉。Ji戟*h版hl rKMurna#Efi.fW射灌4+由晶状体的光心向物体两端所引的两条直线的夹角（P叫做视角。视角的大小不但与物体的 大小有关，还与观察的距离有关。在合适的照明条件下，正常的眼睛看距离眼睛 25 cm 的 物体，不容易感到疲劳，因此把 25 cm 的观察距离叫做明视距离。实验表明，即使在明视距离处，要把物体看清，视角必须大于1（物体大于0.1 mm）。因此，人们常借助放大镜、 显微镜等光学仪器来增大视角，观察物体的细节。作（如修表、雕刻）和阅读时常用到它。使用时把放大镜接近被观察的物体，使物距小于焦 距，隔着它我们看到物体放大、正立的虚像。放大镜是如何增大视角的呢？如下图所示，用眼观察放在明视距离处的物体，视角*很小。 将放大镜放入，使物体处在其焦点以内，让物体的放大的、正立的虚像出现在明视距离处， 这时视角增大到（p2,物体就被看清了。视角（p2与你的比值，称为光学仪器的放大率放大 镜的放大率一般是225倍。观察很小或很远的物体时，我们凭肉眼往往看不清楚，这时就要凭借相应的仪器显微镜 和望远镜来增大观察物体时的视角，从而能最大限度地看清物体。为了把观察到的景物记录 下来，还需要使用照相机显微镜显微镜是用来观察细菌、动植物组织、金属结构等细微物体的光学仪器。显微镜的主要 部分是装在镜筒两端的两组透镜。每组透镜都相当于一个凸透镜，对着物体的一组叫做物镜， 对着眼睛的一组叫做目镜。物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。图中展示的是利用显微镜观察到的微生物（单细胞海藻）的情况。我们将样品放置在载 玻片上，盖上覆片。载玻片放置在显微镜平台上，光线经下面的平面镜反射照亮载玻片。离 载玻片较近的物镜形成微小物体放大的实像。目镜进一步放大像，像就比物体本身大几百倍。 多数显微镜有 2-3 个物镜，可发根据需要的放大倍数来选择。我们把物体放在物镜前焦点以外非常靠近焦点的地方，可以得到一个倒立且放大的实 像 。调节显微镜镜筒长度，使像成于目镜的焦点之内且非常靠近焦点的地方，这样对刚才 的像来说，目镜就成了放大镜。因此我们从目镜中就可以看到在明视距离处出现了一个放大 了的虚像 。这个虚像就是经过两次放大后的像。人眼只能看清大小0.10.2mm左右的细小物体。显微镜大大提高了人的观察能力。 较高级的光学显微镜可以把物体放大2000倍，能够看清0.2 m的结构，这样就可观察到细 胞的构造，如：细胞质、细胞核、细胞膜等若要观察更小的结构，如晶体的结构、分子、原子等，光学显微镜就无能为力了。 在20世纪30年代出现电子显微镜， 进一步提高了人的观察能力，可以看清万分之几微米 的精细结构。望远镜自 17 世纪起，天文学家制作了高倍率的望远镜来观察遥远的太空天体，观察到了三裂 星云。三裂星云是距离地球28380万亿千米的气体和尘埃星云。光从三裂星云传播到地球需 要 3000 年。其实望远镜的结构是很简单的，我们主要介绍开普勒望远镜。开普勒望远镜是德国天文 学家开普勒于1611年发明的，也叫天文学望远镜。它的构造跟显微镜的差不多，也是由两 组凸透镜物镜和目镜组成的，不同的是物镜的焦距长而目镜的焦距短。物镜的作用是得到天体的实像，天体离物镜非常远，从天体上各点射到物镜上的光线是 平行的，经过物镜后在焦点外距焦点很近的地方，得到天体的倒立、缩小的实像，目镜的前 焦点和物镜的后焦点是重合在一起的，所以实像位于目镜和它的焦点之间且离焦点很近的地 方，实像对目镜来说是物体，它经目镜放大所成的像是虚像。这样，当我们对着目镜进行观 察时进入眼睛的光线城市污染好像直接从看到的虚像上射过来的。因此，天体看起来就大了。望远镜的问世在十六世纪末的荷兰，眼睛和望远镜制造业成为重要产业。在 一位名叫李普希的商人，居住在荷兰的米德尔堡小镇上，经营着一家眼睛店。 他有三个活泼可爱的小男孩。由于家里玩具少，孩子们经常把一些磨制坏的眼镜片拿来玩。 一天，三个孩子拿着镜片在阳台上玩。调皮的二弟将两个镜片叠在一起。眯着眼睛，看远处 的景物。忽然，他大叫起来：“哥，快来看，教堂的塔尖变尖了。”两各哥哥照着弟弟说的那 样，将两个镜片叠在一起，果然，前方的教堂、树木变得高大清晰了。“哥，这是为什么呢？” 小弟问道。“我也不知道。”两个哥哥异口同声地回答。于是，他们去找爸爸。“爸，为什么 将镜片一前一后地拿着看教堂塔尖变近了？”小弟问道。“这是因为啊，没有这种事。 不要胡闹了，爸爸很忙。”李普希放下手中正在研磨的镜片，慈祥地对孩子说。“这是真的。” “这确实是真的。”两个哥哥为小弟作证。李普希只好跟着孩子们，来到阳台上。他按照孩 子们说的那样，将两个镜子拿好。确实，他发现塔尖变近了。“这是为什么呢？”他百思不 得其解，经过进一步的试验，他发现只要将一块凸透镜和凹透镜组合起来，把凹透镜放在眼 前，把凸透镜放在远一些，并调好两镜片间的距离，就可以看见很远的物体。李普希制成一 根粗细、长短合适的金属管，并把凸透镜和凹透镜放入管内恰当的位置。用这个装置观看远 方的景物，会使物体变近了。作为商人，李普希想：“也许这是一桩赚钱的制造行业。”于是， 他向荷兰国会提出了申请专利的要求。1608 年，李普希获得荷兰政府的专利权，荷兰政府除奖励他一大笔奖金外，还拨 出专款。命令他为海军制造一种用两眼观测的双筒望远镜。荷兰政府认为，如果海军有了望 远镜，就等于有了一双“千里眼”，将大大提高战斗力。他们秘密地进行望远镜的制造工作。 1609年 6月，居住在意大利威尼斯的物理学家伽利略，从同行中听到了这一消息。他想：“如 果用望远镜观测遥望天体，也许可以。”他立刻从眼镜店里买来镜片，并加工了一个铜筒。 然后将镜片装入铜筒中，一架望远镜制成了。用它观测远方的物体，比用肉眼观测近3 倍。 之后，伽利略对望远镜制造技术进行了改进，使用它观测比用肉眼观测近30 倍。1609 年，在一个群星璀璨的夜晚，伽利略将望远镜的镜子对准了月球。自古以来，人 们认为月球皎洁无暇的，可透过望远镜，他看到月球表面凹凸不平，既有草原，也有山脉。 他不禁惊叹道：“月球原来是一个满脸麻子的美人。”之后，伽利略还用望远镜观测了木星， 发现木星边上有4 颗小星星围绕着它转；用望远镜观测太阳，发现了太阳的自转；用望远镜 观测银河系，发现它是由无数暗弱的恒星组成的。伽利略发明的望远镜与李普希发明的望远 镜一样，都是由凹透镜和凸透镜组成的。人们称这类望远镜为“折射式望远镜”。这种望远 镜有一个缺点，就是所有的图像都带有彩色的边缘。显然，它会影响观测的准确性。1668 年，英国物理学家牛顿在研究折射式望远镜的基础上，成功地制成了第一架 反射式望远镜。它的镜筒直径约为 2.5 厘米，长度约为 15 厘米。它克服了折射式望远镜的 缺点。之后，还诞生了射电式望远镜、空间望远镜等。新型望远镜的不断问世，把人类的目 光投得更远。照相机照相机利用透镜聚焦光线并拍下物体的像。照相机从起初的单孔相机到目前许多专业摄 影师用的高技术相机，种类繁多。但他们的工作原理还是相同的。单孔相机中，来自物体的光线通过一个小孔进入一个盒子，在盒子背面形成一个倒 立的实像。不过，许多照相机的结构是非常复杂的。（1）快门 快门是光圈后面的一个小门或小洞，当你按下照相机的快门时，镜头打开，光线由 镜头折射向胶片。快门速度是快门开合的时间（曝光时间）手动曝光照相机通过调节镜间快 门调节环来设定曝光时间，程序式自动相机会自行设置。（2）光孔 光孔是在镜头中间由叶片组成的光圈所构成的开口。调节光圈调节环，可以改变光 孔直径的大小。光孔开的大，光进得多，光孔开得小，纳入的光线就少。（3）镜头 镜头是由光学系统和机械装置两部分组成的。光学系统主要包括若干单片透镜和胶 合透镜以及反光镜等元件。光线通过这个光学系统，由透镜将外部光线聚焦使之在胶片上形 成一个实像。这里运用的成像原理是：物体在两倍焦距外，经透镜成像于一倍焦距和两倍焦 距之间，为倒立缩小的实像。为得到清晰、准确聚焦的像，镜头必须根据物体的远近调节与 胶片的距离。多数相机通过旋转相机前方的调焦环来移动镜头，自动照相机根据聚焦的要求， 可自动移动镜头。至此我们可以知道，照相机的调焦实际调的是像距，即镜头到胶片的距离（4）胶片 胶片上涂有光作用下能发生化学变化的感光乳剂，通过化学反应，所成的像固定在 胶片上，变成底片。将底片冲洗后，就能将像印在相纸上，这就是相片。本章小结【知识结构】本章围绕光照射到两种媒质的分界面上所发生的现象来讲述的，这里不仅存在反射 现象，同时还会发生折射现象。通过大量实验人们归纳出了折射定律。应用折射定律，人们 又通过逆向思维演绎出了折射中的一种特殊现象光的全反射现象，并研究了全反射的相 应规律。利用折射定律人们发现了棱镜对光的色散作用及薄透镜对光的作用规律。并用数学 方法中的公式法对薄透镜成像规律作了介绍。最后综合以上知识简单介绍了照相机、显微镜、 望远镜的工作原理。【主要知识】一、光的折射1、折射定律：当光线从一种介质射向另一种介质的界面发生折射时，折射光线总在入射光线和法线 决定的平面内，折射光线和入射光线分居法线的两侧；入射角的正弦和折射角的正弦之比，对于任意给定 的两种介质来说，是一个常量。特殊情况：当光线垂直射向两种介质的分界面时，光线一部分会被垂直反射回去，另一部分会垂直于分界 面透射过去，因此，入射角为零，折射角也为零，所以此时不能再机械地套用折射定律公式进行计算2、折射率：公式 n=sini/sinr 是折射率的定义式，它反映了某种介质的本质属性，对某一给定的介 质而言，当入射角i发生变化时，折射角r也随之变化，但它们的正弦之比是保持不变的，即折射率n与入 射角的正弦或折射角的余弦无关。这也是一种比值定义法。3、公式n=c/v是折射率的决定式，因为光在真空中的传播速度c是不变的，所以介质的折射率n 与光的介质中的传播速度v成反比，即折射率的大小是由光在介质中的传播速度决定的，因为c总大于V， 所以n总是大于1二、全反射(1) 发生全反射的条件：光从光密介质射向光疏介质入射角大于临界角我们要正确理解光疏介质与宛密介质的定义，它们是相对于介质的折射率而言的。折射率较大的介质相对 于折射率较小的介质而言就是光密介质；折射率较小的介质便是光疏介质。但是光密介质末必密度就大， 如：洒精折射率为1.36，水折射率为1.33，显然水相对于酒精来说是光疏介质，然而水的密度(1.0X 1O3kg/m3)，酒精的密度是(0.8 X 1O3kg/m3)应该注意的是，入射光在介面分界面上要同时发生反射和折射现象，反射光线和折射光线的传播方向 由反射定律和折射定律确定，反射定律和折射定律末涉及光的强弱问题，我们从能量守恒定律知道，入射 光能量等于反射光能量与折射光能量之和。一般情况下，当入射角增大时，反射光能量增大，折射光能量 减小，在发生全反射的特殊情况下，折射光消失，入射光能量全部转变为反射光能量。(2) 临界角：临界角T是当光由光密介质射向光疏介质时，使折射角为90时的入射角。当光由介C质射向真空或空气时，临界角可由nsini = 1查表求得。c(3) 光导纤维我们可从两个方面来认识光导纤维的作用：了解光导纤维传送光和图像的简单原理；了解光导纤维在现代科技中的应用。三、透镜成像透镜成像公式法 透镜成像公式为* 戸，此公式对于凸透镜和凹透镜都适用，在公式中符号的正负极为重要，我们规定：凸透镜的焦距为正值，即f 0，凹透镜的 焦距为负值， f 0，实像的像距取正值， p 0，虚像的像距取负值， p 1则表明是放大的像；若K 1则为缩小的像； 若 K = 1 则像与物等大。在不讨论虚物成像的条件下，透镜成像的一些特点是：若像与物在透镜同侧，则此像 定是虚像；若像与物分居透镜两侧，则此像定是实像若像倒立，则此像定是实像；若像正 立，定是虚像。凸透镜既可成放大实像，也可成缩小实像，但它只能成放大虚像对凸透 镜来说，p =2f是成放大和缩小实像的关节点，p = f是成实像和虚像的关节点。凹透镜成 像情况只有一种，为同侧缩小的虚像。凸透镜在生活中的应用很广泛，像照相机、投影仪、幻灯机、显微镜、望远镜等都运用 凸透镜作为重要的光学部件，因此大家就熟练掌握凸透镜的成像规律。