大学物理实验光学仪器的设计

,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,实验题目：光学仪器设计实验性质：设计性实验,李振声,物理教研室,显微镜为人类打开了“近在眼前”的微小世界的大门,望远镜则帮助人类揭示了“远在天边”的星球世界的奥秘,学会透镜焦距的测量方法。,掌握光学仪器系统的设计、测试的基本方法,应用提供的透镜、光具座及基本的测试工具，设计并组装望远镜、显微镜,实验目的,重点,难点,实验仪器,光具座，凸透镜2个（作望远镜用），物屏1个、光屏1个，光源1套，透镜夹2个，卷尺1个，干板夹1个，游标卡尺1把，过渡架1个，有机玻璃直尺1把，显微测微尺1个，显微镜目镜1个，显微镜物镜1个等。,一、预备知识凸透镜焦距的测量方法,1,、自准直法（平面镜法）,当物距等于透镜的焦距时，物体任一点发出的光经过透镜折射后成为平行光，经平面镜反射，会聚光线在透镜的焦平面上成一个与原物大小相等的倒立实像。,注意共轴调节,2,、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理,首先确定物象间的距离,D4f,。,如果透镜在这个距离之间能有两个成像（一个放大的，另一个缩小的），且两次透镜位置间的距离为,d,，则,3,、物距像距法测量焦距（高斯公式法）,移动像屏得到一个清晰的与物相似的倒立像,二、望远镜的组装,光学望远镜的分类：,反射式望远镜,折反射望远镜,折射式望远镜,1,、反射望远镜：用凹面反射镜作物镜的望远镜。主要优点是不存在色差。,牛顿,用,2.5cm,直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成,45,度角的反射镜,1672,年卡塞格林所发明。,由两块反射镜组成的一种反射望远镜，,卡塞格林,望,远,镜,牛顿,望,远,镜,2,、折反射望远镜。在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件,以消除球面差。,1931,年美国施密特发明,1940,年苏联光学家马克苏托发明,施密特望远镜,马克苏托望远镜,3,、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。,意大利物理学家,伽利略,1609,年发明望远镜,德国天文学家,开普勒,1611,年发明望远镜。,伽利略望远镜,由凹透镜当目镜。,优点：,观察的是正立的像，结构简单、轻便，光能损失少，镜筒短，成正立虚像。,缺点：,放大倍数小，观察视野窄，倾角大的光线不能进入眼睛，无中间像，不好装叉丝或分划板。,用途：,看戏剧,玩具望远镜,总的视角放大率,:,焦点重合,开普勒望远镜,凸透镜当目镜。,成像上下左右颠倒。（需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像）,1612,年发明,德国天文学家,Johannes Kepler,，,1571-1630,4、开普勒望远镜的设计要点,（1）,物镜的焦距大于目镜的焦距。,（2）物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合。,（3）物体经大焦距的物镜后在焦平面上成缩小的实像。,(物镜的作用是将远处的物体聚焦在目镜物方的焦平面上）,（4）,小焦距的目镜将物镜所成的实像放大到无穷远处。,（目镜起放大镜的作用，将目镜物方焦平面上的倒立实像放大为一虚像）,注意共轴调节,三、显微镜的组装,扫描显微镜,荧光倒置显微镜,相差显微镜,暗视野显微镜,偏光显微镜,微分干涉差显微镜,激光共聚焦显微镜,普通光学微镜,荧光正置显微镜,原子力显微镜,电子显微镜,手术用显微镜,透射电子显微镜,扫描电子显微镜,显微镜的设计,1、显微镜的光学原理图和视角放大率M=,Me,物镜的放大率,目镜的放大率,明视距离,光学镜筒长,F,o,F,e,F,o,、,F,e,25cm,光学筒长,靠近焦点,2,、显微镜的设计要点,（,1,）,显微镜的,f,o,fe,。,（,2,）目镜和物镜之间的距离比,f,o,f,e,大得多。,（,3,）分划板位于物镜像方焦平面上。,（,4,）物体位于物镜（,objective,）物方焦点前附近。,（,5,）物体经物镜后，在目镜（,eyepiece,）的物方焦面内侧成一个倒立放大的实像,I1,。,（,6,）再经大焦距的目镜后在大于明视距离外成一放大的虚像,I2,供眼睛观察。,注意共轴调节,物像共轭法测量,物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。,在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏,。,将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方，在光屏上成一缩小的像y3，并量之。,计算望远镜的角放大率。,四、望远镜角放大率的测量方法,注意共轴调节,五、显微镜的调节和角放大率的测量,(,物像共面法测量计算,),（1）显微测微尺,（分度值为0.01mm或0.05mm）,安放在距物镜略大于焦距处,（2）,调节目镜，使测微尺的像通过显微镜清晰地观察到。,注意共轴调节,显微测微尺,（3）选一个直尺如图中的有机玻璃直尺，将其置于距目镜25cm处（明视距离）,（4）调节显微镜的目镜，使测微尺的像落在直尺上且没有视差，,（5）读出测微尺的像落在直尺上（重合区段内）相对应的长度，即可得到显微镜的放大率,六、实验数据记录,表1 用高斯公式法测量望远镜用透镜焦距原始数据(单位：mm),NO.,透镜,1,透镜,2,u,v,f,1,u,v,f,2,1,2,3,4,5,表2 共轭法测望远镜视角放大率的数据（单位：mm，f,o,=f,e,=）,测量次数,物的大小,像的大小,Mi,1,2,3,4,5,表3 显微镜视角放大率测量数据,(f,0,=1.6cm f,e,=2.5cm，光学筒长l=16cm,目镜放大率10,，物镜放大率10,),NO.,微尺格数,0.01,（或,0.05）,mm,微尺像在直尺上的格数,1mm,Mi,1,2,3,4,5,望远镜的角放大率测量值,望远镜角放大率理论值,望远镜角放大率的测量结果,百分误差,七、数据处理,显微镜的角放大率测量值,显微镜角放大率理论值,望远镜角放大率的测量结果,百分误差,八、注意事项,1、轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。,2、光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内，最好放入干燥器中保存。,3、切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面，如透镜的边缘、棱镜的上下底面等。,4、光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。,5、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的,污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗,。所有,镀膜面均不能接触或擦拭,。,6、防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。,