《组装显微镜望远镜和幻灯机实验.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《组装显微镜望远镜和幻灯机实验.doc（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、组装显微镜望远镜和幻灯机实验 实验 组装显微镜、望远镜、幻灯机实验 【实验目的】 1. 了解显微镜成像的基本原理和结构，理解显微镜放大倍数的计算公式，根据显微镜成像基本原理，设计一种放大率的显微镜，掌握显微镜的调节、使用和测量放大率的一种方法。 2. 了解望远镜成像的基本原理和结构，设计伽利略望远镜和开普勒望远镜，掌握其调节、使用和测量它的放大率的两种方法。 3. 了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。 【实验原理】 1. 显微镜 放大镜的放大率可以表示为M?25/f，其中f为放大镜的第二焦距。为了提高放大镜的放大倍数必须要降低放大镜的焦距，例如20倍的放大镜其焦距仅
2、仅1.25厘米。物体到眼睛的距离也差不多是1.25厘米，这样的工作距离对许多工作是不方便的，在实际中也是不允许的。为了提高放大率的同时也能获得合适的工作条件，可以选用组合放大镜，即采用两个光学系统组成的复光学系统来代替单一的放大镜，这种组合的放大镜称为显微镜。 显微镜的光学系统如下图1所示：L1称为显微镜的物镜，L2称为显微镜的目镜，人眼在目镜后面一定的位置上。F1和F1分别为物镜的第一和第二焦点，F2为目镜的第一焦点。F1和F2之间的距离为?，称为光学间隔。将被观察物体AB放在物镜的第一焦点之外，于是物镜将长为y的物体AB在物镜的二倍焦距之外成一个倒立放大的实像AB。我们选取目镜的位置，使得
3、这个像恰好位于目镜的焦点以内。像AB的大小等于物镜对物的放大率?与物体长度y的乘积?y，目镜对此实像起放大作用，从而在目镜之前的某一位置成一放大的虚像AB。虚像AB成为眼睛的物，它在视网膜上的像，就是眼睛通过显微镜对物AB所获得的最后的像。这个像对瞳孔的张角比在同样的距离上物体AB对瞳孔的张角大许多倍。 图1 设s为目镜到由它所成的虚像AB的距离，则虚像AB对眼睛瞳孔的张角?0可近似地写成 ?0?y?y ?f2f2 其中f2为目镜的第二焦距。 当物体AB处于AB所在的平面时，它对人眼瞳孔的张角?e为 ?e?y ?s 则得到显微镜的放大率为 ?y M?0sf ?2?y?ef2 ?s 式中s/f2
4、为目镜的放大率，可见显微镜的放大率等于物镜的放大率与目镜放大率的乘积。一般的显微镜镜头上分别刻有5，10等字样，可以由其乘积直接得知所用显微镜的放大率。 在给定的情况下，物镜的垂轴放大率?近似的等于物镜和目镜的光学间隔?除以物镜的第二焦距， ? f1 则放大镜的放大率 M?s f1f2 现代的显微镜，其光学间隔?均有定值，通常是17cm或者19cm，一般人在用显微镜进行观察时，s约为-25cm，在这种情况下，由改变物镜目镜的焦距可得各种不同的放大率。当物镜和目镜都是组合系统时，则在放大率很高的情况下，仍能获得清晰的像。 本实验我们通过在光学平台上，利用已有的光学仪器，搭建一套简易的显微镜系统。
5、其结构如图2所示：物镜L0的焦距f0很短，将F1放在它前面距离略大于f0的位置，F1经L0后成一放大实像F1，然后再用目镜Le作为放大镜观察这个中间 像F1，F1应成像在Le的第一焦点Fe之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的 虚像F1。 图2 由于放大镜的最终目的还是为了分辨细节，所以显微镜除应有足够的放大率外，还要有相应的分辨本领。由光的衍射讨论可知，显微镜的分辨本领，取决于被观察物体发出的光在在物镜的物空间的孔径角u和该光的波长?，并且还与被观察物体所在的介质的折射率n有关。也就是显微镜的分辨本领正比于物空间的折射率和孔径角的正弦的乘积nsinu，反比于波长?。乘积nsinu成为显微镜物
6、镜的数值孔径。对于给定波长的光，物镜的数值孔径愈大，则其分辨本领愈高。通常在显微镜物镜上除刻有表示放大率的数字外，还刻有表示数值孔径的数字。例如，物镜上刻有N. A. 0.65字样，即表示该物镜的数值孔径nsinu?0.65 2. 望远镜 望远镜是帮助人眼对远处物体进行观察的光学仪器，观察者以对望远镜像空间的观察代替对本来的物空间的观察。由于望远镜的像空间的像对人眼的瞳孔的张角比起在物空间的共轭角大，所以通过望远镜观察时，远处的物体似乎被移近，原来看不清楚的物体能被看清楚了。 望远镜有两个共轴的光学系统组成的，其中向着物体的系统称物镜，接近于人眼的系统称目镜，当用在观看无限远的物体时，如天文望
7、远镜，物镜在第二焦点与目镜的第一焦点重合，即两系统的光学间隔为零。当用在观看有限远的物体时，例如大地测量用的望远镜或观剧望远镜，两系统的光学间隔是一个不为零的小数量。作为一般的研究，可以认为望远镜是由光学间隔为零的两个共轴光学系统组成的。 图3. 开普勒望远镜成像原理 图4. 伽利略望远镜成像原理 若物镜和目镜的第二焦距均为正，就是开普勒望远镜；若物镜的第二焦距为正，而目镜的第二焦距为负，就是所谓的伽利略望远镜。来自无限远的物点发出的光束，在物镜上与望远镜光轴又不大的夹角?，经望远镜物镜后光束被汇聚于物镜第二焦平面A点，成为A的像，此光束经目镜后成为与望远镜光轴有很大夹角?0的一束平行光，这表
8、明，望远镜是位于无限远的物体AB仍成像于无限远，不过，却使原来与望远镜光轴成不大夹角?的光束变成为与光轴成较大夹角?0的光束。按前述的关于放大率的概念，这就相当于是物体AB对人眼的张角变大，从而在视网膜上获得放大的像。由于位于无限远的物体AB对人眼瞳孔的张角?e实际上等于如图中所画出的?，所以望远镜的放大率为： M?0?0 ?e? ?和?e恰巧为望远镜在物镜MN和他的像MN处的一对共轭角，所以?和?e的比值就是望远镜对物镜及其像的角放大率?p，也就是望远镜的放大率M等于 光瞳出的角放大率。其垂直轴放大率?p很容易得出。 ?p?MMN?f2 f1 由于物镜MN及其像MN都在同一空气介质中，所以
9、?p?1 ?p 于是望远镜的放大率为 M?p?f1f?1 f2f2 此式表明，物镜的焦距越大和目镜的焦距越小，则所得望远镜放大率越大。当物镜和目镜都为正焦距的光学系统是，如开普勒望远镜经，则放大率M为负值，系统成倒立的像；而物镜的焦距为正，目镜的焦距为负是，如伽利略望远镜，则放大率M为正值，系统成正立的像。 由于反射镜能反射较广的光谱范围的光而无色差，容易获得大孔径，并且当反射镜的星座合适是又可校正球差，所以大孔径的天文望远镜多是有反射镜做成的。下图a是回转抛物面反射镜的望远镜物镜，称为牛顿反射镜。b为格雷果里反射物镜，c为卡塞格伦反射物镜 图. 5反射式望远镜 为观剧和军事目的常需要正像的有
10、立体感的望远镜，维持产生了尺寸紧凑、性能良好的所谓双筒望远镜，下图所示的照片就是一架由校核透镜作物镜，波罗组合棱镜作正像器和伊尔福目镜组成的双筒望远镜，在这种望远镜上常标有630或者850等字样，前一个数字代表望远镜倍数，后面的数代表物镜的入瞳直径。 图6 双筒望远镜光路 3. 幻灯机 幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。幻灯片P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大
11、于L的物方焦距。 图7 幻灯机原理光路 聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜L1、L2构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时，能使屏幕上有强烈而均匀的照度，并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面，聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此，应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使这束光全部通过物镜L，这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不超过透镜L边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L的整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关
12、紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源则置于聚光器后2倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。 【实验仪器】 1. 显微镜 光学平台，带有毛玻璃的白炽灯光源S，1/10mm分划板F1，物镜L（，ofo=15mm）测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜），相应的光具座 2. 望远镜 光学平台，带有毛玻璃的白炽灯光源S，毫米尺F（L=7mm），物镜Lo（凸透镜，fo=225mm），测微目镜Le：（去掉其物镜头的读数显微镜），目镜La， 3. 幻灯机 带有毛玻璃的白炽灯光源S，聚光镜
13、L1（f1=50mm），幻灯底片P，放映物镜L2（f2=190mm），白屏H 【实验内容】 1 组装显微镜实验 a) 把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，目测并将各光学元件调至光学共轴。 b) 把透镜L0、Le的间距固定为合适的数值 c) 沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置，使F1置于略大于f0的位置），直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。 d) 计算显微镜的放大倍数 2 组装望远镜实验 1) 搭建一台开普勒望远镜 开普勒望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合
14、。而目镜起放大镜的作用，把这个倒立的实像再放大成一个正立的像，如下图所示。 a) 把全部器件按图五的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。 b) 把F和Le的间距调至最大，沿导轨前后移动Lo，使一只眼睛通过Le看到清晰的分划板F上的刻线。 c) 再用另一只眼睛直接看毫米尺F上的刻线，读出直接看到的F上的满量程28条线对应于通过望远镜所看到F上的刻线格数e。 d) 分别读出F、Lo、Le的位置a、b、d。 2) 搭建一台伽利略望远镜 伽利略望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凹透镜作为目镜组合而成。凸透镜的第二焦点和凹透镜的第二焦点重合。其所成的像为正立的像。 a) 把全部器件按图
15、五的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。 b) 把F和La的间距调至最大，沿导轨前后移动Lo，使一只眼睛通过La看到清晰的分划板F上的刻线。 c) 再用另一只眼睛直接看毫米尺F上的刻线，读出直接看到的F上的满量程28条线对应于通过望远镜所看到F上的刻线格数e。 d) 分别读出F、Lo、La的位置a、b、d。 3 组装幻灯机实验 a) 把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。 b) 将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动P，使其经L2在屏H上成一最清晰的像。 c) 将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定，拿去幻灯片P，沿导轨前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。 d) 再把底片P放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。 e) 把聚光镜L1拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。 f) 注：演示其现象时的参考数据为U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。 【注意事项】 1. 光学元件勿用手摸 2. 各透镜面垂直于光学平台标尺 【思考题】：