大学物理实验设计性实验方案-简易显微镜的设计

普通物理实验设计性实验方案 实验题目实验题目：简单显微镜的设计 班班级级： 物理学 2011 级（2）班 学学号号：2011433175 姓姓名：名：唐洁 指导教师指导教师：陈 广 萍 凯里学院物理与电子工程学院 2013 年 3 月 简单显微镜的设计简单显微镜的设计 要求： 1. 了解显微镜的基本光学系统及放大原理，以及视觉放大率等概念； 2. 学会按一定的原理自行组装仪器的技能及调节光路的方法； 3. 学会测量显微镜的视觉放大率； 4. 简单显微镜的放大率为 31.8； 5. 物镜与目镜之间的距离为 24cm，即光学间隔为 16.6cm。 序序 言言 显微镜是最常用的助视光学仪器，且常被组合在其他光学仪器中。因此，了解并 掌握它的构造原理和调整方法， 了解并掌握其放大率的概念和测量方法， 不仅有助于加 深理解透镜的成像规律，也有助于正确使用其他光学仪器。 一、实验原理一、实验原理 （一） 、光学仪器的视觉放大率 显微镜被用于观测微小的物体，望远镜被用于观测远处的目标，它们的作用都是 将被观测的物体对人眼的张角（视角）加以放大。显然，同一物体对人眼所张的视角与 物体离人眼的距离有关。 在一般照明条件下， 正常人的眼睛能分辨在明视距离处相距为 0.050.07mm 的两点。此时，这两点对人眼所张的视角约为 / 1，称为最小分辨角。当 微小物体（或远处物体）对人眼所张视角小于此最小分辨角时，人眼将无法分辨，因而 需借助光学仪器（如放大镜、显微镜、望远镜等）来增大物体对人眼所张的视角。这是 助视光学仪器的基本工作原理，它们的放大能力可用视觉放大率表示，其定义为 w w tan tan / （1） 式中，w为明视距离处物体对眼睛所张的视角， / w为通过光学仪器观察时在明视距离 处的成像对眼睛所张的视角。 （二） 、显微镜及其视觉放大率 最简单的显微镜是由两个凸透镜构成的。其中，物镜的焦距很短，目镜的焦距较 长。它的光路如图所示，图中的 o L为物镜（焦点在 o F和 / o F）,其焦距为 o f； e L为目镜， 其焦距为 e f。将长度为 1 y的被观测物AB放在 o L的焦距外且接近焦点 o F处，物体通过 物镜成一放大的倒立实像 /B A(其长度为 2 y)。此实像在目镜的焦点以内，经过目镜放 图 1 大，结果在明视镜D上得到一个放大的虚像 /B A(其长度为 3 y)。虚像 /B A对 于被观测物AB来说是倒立的。显微镜物镜焦点 / F到目镜焦点 e F之间的距离 称为物镜和目镜的光学间隔。当显微镜中能看到物体清晰图像时，物镜前端面到 被测物的距离叫做显微镜的工作距离。 为获得清晰的图像而调节显微镜与被观测 物的距离称之为调焦。由图可见，显微镜的视觉放大率为 1 2 2 3 1 3 / / / tan tan y y y y Dy Dy w w （2） 式中， e e f D u D y y 22 3 ，为目镜的视觉放大率； 0 1 1 1 2 o fu v y y （因 1 v比 o f 大得多） ，为物镜的线放大率。 因而式（2）可改写成 e oe ff D 0 （3） 由式（3）可见，显微镜的放大率等于物镜放大率和目镜视觉放大率的乘积。在 o f e f、和D已知的情形下，可利用式（3）算出显微镜的视觉放大率。 D B 1 y B o F A A A 3 y o L o F e F B e F 2 y w 1 u 1 v 2 u 显微镜通常配有一套不同放大率的物镜和目镜，可供选用。例如，使用 20 物镜和 5目镜的显微镜，它的视觉放大率100520。一般显微镜的放 大率为几十倍到几百倍。 根据式（3）可知，显微镜的镜筒越长，物镜和目镜的焦距越短，放大率就 越大。同时受光学底座尺寸的限制，故实验中所选的物镜焦距为 45mm，目镜焦 距为 29mm。简单显微镜设计光路的装置图和简图分别如图所示。 9 B 8 Le Fe 5 F0 7 13 Lo 32 M1 1 S 1416 4 15 M2 11 12 10 24cm 图 2 1小照明光源S，2干版架，3微尺 M1（1/10 mm） ，4二维架或透镜架，5 物镜 Lo （ 0 f=45 mm） ，6二维架，7三维调节架，8目镜 Le （ e f=29 mm） ，9 45玻璃架，10升降调节座，11双棱镜架，12毫米尺 M2（l=30 mm） ，13三维 平移底座，14三维平移底座，15升降调节座，16通用底座，17白光源（图中未 画） 图 3 二、实验仪器二、实验仪器 IIBGSZ 型光学平台，小照明光源 S，微尺，45mm 物镜,29mm 目镜，玻璃 架，毫米尺，白光源，白屏，若干光学支架和底座。 三、实验内容与步骤三、实验内容与步骤 本实验的主要内容就是自组搭建简单显微镜光路， 测量简单显微镜的放大率。 （一）光路的调整 1、将各光学元件沿着光学平台上的标尺固定在相应的支架上，夹好、靠拢，调 同轴等高 注意： 各光学元件的高度通过目测调节好后，在固定前同时应确保各光学元件与 相应光学底座的某一边保持平行，便于调节光路。 2、测物镜、目镜的焦距 方法：物距像距法，如图所示。调节白屏在光轴上的位置，直至白屏上有物S的 等大实像，则焦距为物与白屏之间距离L的 4 1 。多次测量求平均值。 )(2为焦距ffvu （4） L S 25cm P e L o L 1 y S 3 y S 2 y 图 4 3、按装置图装配显微镜 根据要求将物镜 o L与目镜 e L的距离定为 24cm；在 e L之后放置一与光轴成 45角的平玻璃板，距此玻璃板 25cm 处放置一白光源（图中未画出）照明的毫 米尺 2 M。 4、微调微尺 1 M的位置 调整微尺 1 M离物镜 o L的距离，使它经显微镜系统成的像 3 y与毫米尺 2 M经 45玻璃板反射的像 S重合。要求反复调整，直到微尺 1 M的放大像 3 y与毫米尺 2 M反射像 S之间没有视差为止。 （二）测量显微镜的放大率 1、观察 仔细观察微尺 1 M的放大像和毫米尺 2 M的反射像，同时微调毫米尺 2 M的高度， 让其反射像中的某一格对准被测物放大像的某一格，便于读数。 2、测量 读出微尺 1 M放大像 3 y的格数b所对应的毫米尺 2 M反射像的格数a， 需反复测量， 求平均视觉放大率。 3、数据处理 根据公式 a b 10 计算出简单显微镜的视觉放大率。将cmD25和光学间隔 oe ffL（L、 e f和 o f前面已经测出）代入公式 eo D ff 计算出简单显 微镜的测量视觉放大率，并将计算结果与观测值作一比较，计算百分误差比。 四、测量条件四、测量条件 1. 微尺、物镜、毫米尺、目镜必须严格的同轴、等高； S S u v 2. 物镜与目镜之间的距离为 24cm； 3. 毫米尺不能离物镜太远，只能是比物镜的焦距大一点点即可； 4. 白光源要放到离 45玻璃架 25cm 处。 五