毕业设计（论文）-开普勒望远镜的自组及研讨.doc

本科学生毕业论文（设计）题目(中 文):开普勒望远镜的自组及研讨(英 文):The assembly and research of Kepler Telescope姓 名学 号院 （系）专业、年级指导教师 II湖南科技学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日18 毕业论文（设计）任务书课题名称：开普勒望远镜的自组及研讨学生姓名：欧阳丹系 别：专 业：指导教师： 湖南科技学院本科毕业论文（设计）任务书1、主题词、关键词： 开普勒望远镜、无焦系统、视放大率2、毕业论文（设计）内容要求：(1)要保证论文的科学性，要求论文内容的合理行和正确性；(2)具有创新性，内容必须有自己的观点；(3)多做实验，注意数据正确性，实验创新性；(4)应尽可能多的阅读参考文献。3、文献查阅指引：1冯颖，姜梅光学望远镜实验装置的设计J东北电力学院学报，20052谷晋骐，郑永星等物理实验M天津：天津大学出版社，19973杨述武普通物理实验M北京：高等教育出版社，20004叶玉堂，肖峻，饶建珍等光学教程M北京：清华大学出版社，20115姚启钧光学教程M北京：高等教育出版社，20086李宗介光学系统同轴调整方法的优选J玉林师专学报，19947李东萍，魏建宇自准直法测薄凸透镜焦距的光学系统成像分析J实验室研究与探索，20068王佳男，许多薄透镜作图成像研究J黑龙江科技信息，20124、毕业论文（设计）进度安排：（1）、2012年11月30日指导教师给学生下达任务书，2012年12月26日前完成开题。开题时间：2012年12月22日-26；（2）、第8期第7周（2013.4.7-4.13）中期检查，指导教师填写好中期检查表；（3）、第9周拿出初稿；（4）、第11周，正式答辩前，学生根据自身完成的情况提出答辩申请，并填写“学生答辩申请及资格审查表”；（5）、第11周（2013年5月8日）学生毕业论文(设计)定稿，准备答辩。（6）、答辩时间：2013年5月18日-19日。教研室意见： 负责人签名： 注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）开题报告书论文（设计）题目开普勒望远镜的自组及研讨作 者 姓 名欧阳丹所属系、专业、年级 电子工程系 物理学专业 2009年级指导教师姓名、职称朱湘萍，高级实验师预计字数10000开题日期2012.12.22选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解1、理论意义：通过详细分析开普勒式望远镜的原理及其构造，将其理论基础与实际组装操作相结合起来，从而更好地掌握开普勒望远镜的知识。2、实际意义：通过实验以及对实验结果的分析，发现实验中的一些不足，从而加以改进，使实验更加完善。3、研究动态：当前已经有许多文献介绍过望远镜的实验，不过大都是粗略的阐述，对实验的操作及一些细节阐述得不够详细，给出的实验方案也比较单一，很难使同学们彻底掌握开普勒望远镜。4、自己的见解：在很多同学做望远镜组装的实验时都不熟练甚至失败的情况下，对开普勒望远镜的原理及组装进行研讨是非常有必要的，一方面可以加强大家对开普勒望远镜原理的了解，另一方面可以使大家更熟悉实验的操作过程，以及会影响实验结果的一些主要因素，从而更好地完成实验。主要内容：一、开普勒式望远镜的理论基础二、实验组装开普勒式望远镜三、对实验进行总结及改进研究方法：文献索引法、推导法、实验法、查阅资料法完成期限和采取的主要措施：本文从2009年11月30日开始准备，在2月底写好初稿，期间经过多次修正和改进。计划在2013年5月初完成论文全部内容。 论文主要通过对各种研究资料和相关知识进行分析总结，在导师的指导帮助下，到实验室进行实验，通过对实验的总结和对结果的分析，找出实验中存在的问题并提出改进方法。主要参考资料：1冯颖，姜梅光学望远镜实验装置的设计J东北电力学院学报，20052谷晋骐，郑永星等物理实验M天津：天津大学出版社，19973杨述武普通物理实验M北京：高等教育出版社，20004叶玉堂，肖峻，饶建珍等光学教程M北京：清华大学出版社，20115姚启钧光学教程M北京：高等教育出版社，20086李宗介光学系统同轴调整方法的优选J玉林师专学报，19947李东萍，魏建宇自准直法测薄凸透镜焦距的光学系统成像分析J实验室研究与探索，20068王佳男，许多薄透镜作图成像研究J黑龙江科技信息，2012指导教师意见： 指导教师签名： 教研室意见：签 名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时间 2012年12月22日地点三教106与会人员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）熊文元教 授谢一民副教授付 喜副教授朱湘萍高级实验师李爱华讲师 刘旭辉 讲师会议记录摘要：1. 选题的背景？答：当前许多学生对望远镜的原理没有真正掌握，做实验时不知如何操作，导致实验误差很大，甚至实验失败。2. 选题的意义？答：通过将理论知识与实际组装结合起来，加强大家对开普勒望远镜原理的了解，使大家更熟悉实验的操作过程，从而更好地完成实验。3. 研究的主要内容？答：分析开普勒望远镜的原理，比较几种常见实验方案的优缺点，提出一种相对较好的实验方案，通过分析实验数据，找出误差来源，然后进行改进。会议主持人：记 录 人：年 月 日指导小组意见负责人签名： 年 月 日系部 意 见负责人签名：年月日注：此表由学生本人填写，一式三份，一份留系里存档，指导老师和本人各保存一份湖南科技学院毕业论文（设计）中期检查表毕业论文（设计）题 目开普勒望远镜的自组及研讨学生姓名欧阳丹学 号200906001105系 别电子工程专 业物理学指导教师朱湘萍、高级实验师检查日期2013.4.7指导教师检查情况记载及修改意见：1、论文初稿已经完成；2、完成中期工作量，还存在不足；3、论文中重点部分还需要升华。具体修改意见如下：1、注意章节内容的分配，协调；2、本论文的重点应放在如何设计一种相对较好的实验方案；3、将实验误差分析和实验总结写得更详细一点；4、参考文献按照学校的规范写，同时标出在正文中的具体位置； 5、参考文献要按照在正文中的第一次出现的顺序编号；6、图题的字号要按照学校的要求；7、要使用固定模版完成论文编排。签名 签名： 注：此表用于指导教师在学生毕业论文（设计）初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用，由指导教师填写。湖南科技学院毕业设计（论文）指导过程记录表毕业论文(设计)题目开普勒望远镜的自组及研讨学生姓名欧阳丹学号200906001105专业班级物理学0901班指导教师朱湘萍职称高级实验师系（教研室）理论物理指导过程记录指导内容记录(一)老师给我们说明写论文的一些前期准备，并交代书写格式要严格遵循湖南科技学院毕业论文书写规范。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(二)指导老师指导我如何查阅及从网上下载相关资料，并教我怎样快速从资料中获取有用信息。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录（三)指导老师指导我做实验，教我一些仪器的使用方法，帮我分析实验误差以及给我提出一些改进建议。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(四)修改论文推导过程的电子稿，怎么使用抓图精灵和PDF与WORD 的转换工具进行文档转换，获取相关信息。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导过程记录指导内容记录(五)对论文进行检查，老师肯定了我前期的工作，同时指出论文中存在的问题，要求我的实验在参考文献的基础上要有改进和创新。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(六)检查论文初稿，建议我将误差分析及总结写得更详细，并给予论文写作模板，要求根据论文写作规范将论文进行修改。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(七)指导毕业论文的书写格式和要求，并在老师的指导下，对论文的一些细节部分进行了修改。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(八)验收论文，对论文进行排版，保证其整洁、美观。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日答辩小组组长意见(对情况是否属实做出意见)组长(签名)： 年 月 日注：本表与毕业论文一起装订存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）评审表论文题目开普勒望远镜的自组及研讨作者姓名欧阳丹所属系、专业、年级物理与电子工程 系 物理学 专业 2009年级指导教师姓名、职称朱湘萍，高级实验师字 数10000定稿日期2013.5.8中文摘要本文采用文献索引法、推导法、实验法、查阅资料法，对开普勒望远镜进行了系统的分析，首先介绍了开普勒望远镜的构造及基本属性，然后将其理论知识与实验组装相结合，通过分析几种常见实验方案的优点及不足，设计了一种相对较好的实验方案，用玻璃标尺和一凸透镜组成无穷远处的物体，并介绍一些重要仪器如读数显微镜的使用方法，通过实验组装开普勒望远镜，并测量其无焦系统的视放大率，最后分析实验结果，找出了实验中误差的来源和不足之处，提出了几条改进方法，以给同学们的实验提供理论依据。关键词（3-5个）开普勒望远镜、无焦系统、视放大率英文摘要This paper adopts the method of literature index, inference, experiment and document consultation and analysis the Kepler telescope.At first, the thesis gives the readers a brief study of the structure and essential attribute of Kepler telescope. Then focuses on combining theoretical knowledge with experimental assembly. Then, a new experiment project has been designed by analysis merits and shortages of several kinds of common projects. Regarding the glass rod and convex lens as infinite distant thing, and introducing some using methods of significant instrument like reading microscope. Assembling Kepler telescope through experiment, measuring the afocal system visual amplification, and finally will make a conclusion,which find the source of error and shortage in experiment, and put forward improving methods so as to offer basic theory for students furthering study.关键词(3-5个)Kepler telescope , afocal system , visual amplification指导教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分指导教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 指导教师评审意见： 指导教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60分以下记为不及格。评阅教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分评阅教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 评阅教师评审意见： 评阅教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60分以下记为不及格。湖南科技学院本科毕业论文（设计）答辩记录表论文题目开普勒望远镜的自组及研讨作者姓名欧阳丹所属系、专业、年级电子工程系 物理学专业 2009年级指导教师姓名、职称朱湘萍、高级实验师答 辩 会 纪 要时间2013年5月18日地点三教106答辩小组成员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）熊文元教 授谢一民副教授付 喜副教授朱湘萍高级实验师李爱华讲师 刘旭辉 讲师答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：1. 什么是视放大率？答：设直接观察的视角为，通过助视仪器观察的视角为，与的正切值的比值即为视放大率，2. 什么是无焦系统？答：当用望远镜观测无穷远处物体时,物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合,系统光学间隔为零，此时系统组成无焦系统。3. 实验产生误差的原因主要有哪些？答：读数时产生的读数误差；仪器误差，如透镜焦距实际值与标注值有偏差；系统共轴调节不够精确产生的误差。会议主持人：记 录 人：年 月 日答辩小组意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 年 月 日系学位委员会意见评语：论文（设计）最终评定等级：负责人（签名）： 系部（公章） 年月 日校学位委员会意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 年月 日目 录绪论11 薄透镜基本知识21.1 高斯公式21.2 横向放大率31.3 视放大率32 开普勒式望远镜42.1 望远镜的用途42.2 望远镜的构成及原理42.3 开普勒式望远镜结构及放大率52.3.1 无焦系统52.3.2 有光学间隔63 实验设计与内容83.1 实验方案83.1.1 常见实验方案83.1.2 改进实验方案93.2 实验仪器及使用方法93.2.1 主要实验仪器93.2.2 读数显微镜的使用93.3 实验步骤113.4 数据记录及处理113.5 误差分析124 实验总结与改进134.1 几个问题的讨论134.2 改进减小实验误差134.3 总结与反思14结论15参考文献16致 谢17开普勒望远镜的自组及研讨摘 要本文采用文献索引法、推导法、实验法、查阅资料法，对开普勒望远镜进行了系统的分析，首先介绍了开普勒望远镜的构造及基本属性，然后将其理论知识与实验组装相结合，通过分析几种常见实验方案的优点及不足，设计了一种相对较好的实验方案，用玻璃标尺和一凸透镜组成无穷远处的物体，并介绍一些重要仪器如读数显微镜的使用方法，通过实验组装开普勒望远镜，并测量其无焦系统的视放大率，最后分析实验结果，找出了实验中误差的来源和不足之处，提出了几条改进方法，以给同学们的实验提供理论依据。【关键词】：开普勒望远镜、无焦系统、视放大率The assembly and research of Kepler TelescopeAbstractThis paper adopts the method of literature index, inference, experiment and document consultation and analysis the Kepler telescope.At first, the thesis gives the readers a brief study of the structure and essential attribute of Kepler telescope. Then focuses on combining theoretical knowledge with experimental assembly. Then, a new experiment project has been designed by analysis merits and shortages of several kinds of common projects. Regarding the glass rod and convex lens as infinite distant thing, and introducing some using methods of significant instrument like reading microscope. Assembling Kepler telescope through experiment, measuring the afocal system visual amplification, and finally will make a conclusion,which find the source of error and shortage in experiment, and put forward improving methods so as to offer basic theory for students furthering study.【Key words】Kepler telescope , afocal system , visual amplification 绪论随着社会的进步和发展，科学技术成为社会发展和进步的动力和源泉，而物理学是科学中最重要的一门学科之一，在物理学各分支学科中，光学是最活跃、发展最快的一门学科。光学和其它学科一样，也是经过长期的实践，在大量的实验基础上才逐步发展和完善的，建立了经典的光学理论和实验方法。光学实验课程是高等师范院校物理学专业必修的一门专业基础课，它在高等师范院校物理学专业的课程中占有重要的地位。目前，光学课程从教材到实验内容都已形成了相对完整的教学体系。就望远镜而言，人们在望远镜技术方面已取得了巨大成就，其理论框架已经很成熟，但很多学生在实验室做望远镜组装实验的时候却困难重重，效果很不理想，误差很大，甚至做不成功，其原因在于许多学生对关于望远镜的理论知识还很薄弱，以及在实验中一些操作细节还不清楚，而望远镜在天文学、军事领域和日常生活等领域中起着十分重要的作用，因此，学习掌握望远镜的相关知识对于物理学专业的学生来说非常重要。根据对开普勒式望远镜组装实验的研究来看，已经有许多书籍文献对其有分析及阐述。其中，参考文献1介绍了开普勒式望远镜的原理及其装置，一些主要的参数及计算，其中一些参数计算的一些公式，作者直接给出来，并没有做详细的推导，关于望远镜的原理阐述得也不是很完整，并且没有与实际操作结合起来，以致一些学生不能很好地理解运用。参考文献2、3较详细的阐述了望远镜的原理，并将其与实验相结合起来，但其没有对于实验中一些具体操作以及一些仪器的使用并没有交代清楚，实验组合的方法单一，以致学生在实验时测得的结果误差较大。为了弥补以上书籍文献的不足，本文先给出薄透镜的重要特点及成像公式，然后详细阐述开普勒望远镜的原理及理论知识，再将理论知识结合具体的实验操作，介绍一些重要仪器的使用方法，讨论几种实验方法的优缺点等，从而在几种常见实验方案的基础上改进，提出了一种相对较好的方法，最后通过实验数据来分析实验中可能存在的一些问题，以及对误差进行分析，并提出一些改进方法。这样一方面可以加强同学们对开普勒望远镜知识的理解，另一方面可以提高同学们的实验动手能力，以及解决实验中所遇到问题的能力。本文将对望远镜的理论知识和组装望远镜实验做详细的分析和总结，解决实验中困扰大家的一些问题，以给同学们的实验提供理论基础，以便于提高大家的动手实践能力，从而更好的加深对透镜成像规律的理解。由于望远镜种类繁多，原理各有不同，本文主要研究开普勒式望远镜的组装设计，其它种类可相互借鉴。1 薄透镜基本知识1.1 高斯公式图1-1 薄透镜成像高斯公式在图中，O点为镜片中心点，即镜片与光轴的交点，AB是物体，AB是经凸透镜所成的像。由于COF和ABF相似， 所以因为ABO和ABO相似，所以因为，CO=AB，所以上面两个式子左边相等，因而这两个式子的右边也相等： 将，代入上式得到： 化简得： 用uvf除这个式子的两边，就得到凸透镜的成像公式： （1-1）此即薄透镜成像高斯公式。 1.2 横向放大率在近轴光线和近轴物的条件下，垂直于主轴的物所成的象仍然是垂直于主轴的，如图。定义像的横向大小与物的大小之比值为横向放大率， 即 （1-2）由于 图1-2 横向放大率因此，横向放大率也可表示为： （1-3）如果计算所得是正值，表示像是正的，是负值，表示像是倒的 表示像是放大的, 表示像是缩小的1.3 视放大率若同某一目标，通过光学仪器和眼睛构成的光具组，在视网膜上成像长度为；若把同一目标的物放在助视仪器原来所成像平面上，而用肉眼直接观察，在视网膜上所成像的长度为，则与之比称为助视仪器的放大本领（视觉放大率），如图所示。图1-3 视觉放大率原理图在图中，AB表示在明视距离处的物，H、H为助视仪器的主点，为直接观察时在明视距离处AB的视角，为通过助视仪器所成像于明视距离处的视角，在人眼视网膜上的像长分别为和，则仪器的视觉放大率表示为 （1-4） 2 开普勒式望远镜2.1 望远镜的用途望远镜是顾名思义是一种用来观察远处物体光学仪器,望远镜通常呈筒状的形式，人们利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像,再经过一个放大的目镜放大成像的光学仪器，这样就可以望见远处的物体了。因此，望远镜又称“千里镜”。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。望远镜的用途非常广泛，它最初用来观察天体的运动，人类借助望远镜观察了很多天体，甚至于更遥远的太空。望远镜实现了人类千里眼的梦想，现在望远镜的使用越来越普及，它被应用到更多的领域，例如医学的研究，还有就是军事的潜望镜、瞄准镜等也都采用了望远镜的原理。所以，望远镜对社会的进步是非常重要的，它也推进了哥白尼的日心说4。2.2 望远镜的构成及原理简易天文望远镜由物镜、物镜镜筒、目镜、目镜镜筒几部分。中央比边缘薄的是凹透镜，用来近视；中央比边缘厚的是凸透镜，用来远视。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的过程中起到了最重要的作用，它由一个凹透镜 （目镜） 和一个凸透镜 （物镜） 组成，其优点是结构简单，能直接成正像，它是最早的望远镜。开普勒望远镜由两个凸透镜组成，由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且性能比伽利略望远镜优良，所以目前军用小型天文等专业级的望远镜都采用开普勒望远镜。牛顿发明的反射望远镜，其物镜是凹面反射镜，没有色差，而且将凹面制成旋转抛物面即可消除球差，反射望远镜镜筒较短，而且易于制造更大的口径，所以，现代大型天文望远镜几乎都使用牛顿望远镜。以开普勒式望远镜为例，开普勒望远镜是由两个共轴光学系统组成，我们把它简化为两个凸透镜，其中长焦距的凸透镜作为物镜，短焦距的凸透镜作为目镜。物镜的作用是将远处物体发出的光经会聚后在目镜物方焦平面上生成一倒立的实像，而目镜起一放大镜作用，把其物方焦平面上的倒立实像再放大成一虚像，供人眼观察。图2-1所示为开普勒望远镜的光路示意图，图中L0为物镜，Le为目镜。与原物体相比，实像靠近了眼睛很多，因而视角增大了，然后实像再经过目镜而被放大，由目镜所成的像，可以在明视距离到无限远之间的任何位置上。用望远镜观察不同位置的物体时，只需调节物镜和目镜的相对位置，使物镜成的实像落在目镜物方焦平面上，这就是望远镜的“调焦”。因此，望远镜的功能是对远处物体成视角放大的像，眼睛贴近目镜，可以观察到远方物体的放大像，从而达到望远的目的。图2-1 开普勒望远镜简易原理图2.3 开普勒式望远镜结构及放大率2.3.1 无焦系统当用在观测远处物体时,物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合,系统光学间隔为零，此时系统组成无焦系统。这样平行光射入望远系统后,仍以平行光射出，光路图如下：图2-2 观察无限远物体光路图f0-feL0LeF0 Fey2记目视光学仪器所成的像对人眼的张角为，物体直接对人眼的张角为，则望远镜的视放大率： （2-1）即望远镜镜的视觉放大率仅决定于物镜和目镜焦距之比,负号表示成倒像5。2.3.2 有光学间隔当观察物处于近距离物体时，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点不重合，系统的光学间隔不为零，此时系统组成有光学间隔系统，这样入射光射入望远镜系统后，聚焦于目镜前方，光路图如下：图2-3 观察有限远物体光路图S1L0y1S1S2y3y2Le在实验中，当望远镜的被观察物位于有限远时，望远镜的视放大率可以通过移动目镜把像y推远到与物在一个平面上时来测量，如图：图2-4 物像共面光路图此时：，式中L为远处物体到目镜的距离因此，望远镜的视放大率为： （2-2）设物体y经过第一个凸透镜成的实像高为，则由高斯公式得： 可解出：故而 该实像经过第二个凸透镜成虚像，由高斯公式得：同样可解出：故而 则物像共面时视放大率为： （2-3）显然，此时的放大率与物、像均在无穷远时的视放大率不完全相同，但当物距大于20倍物镜焦距时，两者的差别就不太明显了。 由于不同距离的物体成像在物镜焦平面附近不同的位置，而此成像又必须在目镜焦距的范围内，并且接近目镜的焦平面，因此观察不同距离的物体时，需要调节物镜和目镜之间的距离，即改变镜筒的长度，这称为望远镜的调焦。由于用望远镜观察的都是比较远的物体，因此可近似于无焦系统。3 实验设计与内容3.1 实验方案3.1.1 常见实验方案方案一：在距光具组约5m处置一照明标尺，当做无限远处物体，调节至物像共面，一只眼睛观察像，一只眼睛观察标尺，测其放大率，具体原理及操作操作参考文献2.图3-1方案一方案二：取下读数显微镜的物镜，用其测微目镜充当望远镜的目镜，再用一个凸透镜充当物镜，组成望远镜系统。图3-2 方案二方案一用远处的标尺代替无穷远处物体，基本可达到实验效果，但此方案要占用比较大的空间，因而在比较小的实验室不方便使用，而且其要求两只眼睛同时读数，这会增大读数的误差。方案二使用仪器较少，组装简便，但由于测微目镜有一定长度，其目镜的具体位置不好确定，不便于组成无焦系统，而要按有光学间隔系统来处理，实验操作过程相对复杂。3.1.2 改进实验方案为了弥补以上两种方案的不足，可设计如下实验方案：用光源、玻璃标尺和一凸透镜组合，充当无穷远处物体。由凸透镜的性质知，当标尺处于凸透镜焦平面时，标尺发出的光线经过凸透镜后变成平行光，此时标尺即可相当于无穷远处的物体。用两个不同焦距凸透镜组成开普勒望远镜无焦系统，通过读数显微镜观察标尺经过望远镜所成的像，测量像的长度，与标尺实际长度相比，得到其视放大率实验值，并与理论值比较，计算相对偏差。3.2 实验仪器及使用方法3.2.1 主要实验仪器通用底座滑块，导轨，光源，量程为14mm玻璃标尺，焦距分别为50mm、70mm、150mm、190mm的凸透镜， 读数显微镜(物镜放大倍率为1，目镜放大倍率为20)等3.2.2 读数显微镜的使用将测读数显微镜放在被测物面上,镜座缺口朝光线射来的方向，按住镜座调节目镜，使目视场中分划线调节清晰，移动镜座使被测物经物镜放大成像清晰地在目镜分划尺上，转动测微鼓轮,使带有十字交叉和双刻线分划板去瞄准被测物像需要测量区域的边界,读取固定尺上整数值+测微鼓轮上的尾数值*0.01，单位为毫米，读出被测物像边界的起始点读数a, 然后再转动测微鼓轮，使带有十字交叉和双刻线分划板上去瞄准需要测量区域的另一端边界，读出被测物像边界的终点读数b,两读数值之差值（ab）除以物镜放大倍数x，（ab ）xY实际被测物的测量值6。图1 读数显微镜结构3.3 实验步骤（1）选物镜和目镜。选焦距为150mm凸透镜与50mm凸透镜作为物镜和目镜（如透镜的焦距不清楚，可以利用自准法测量，参见参考文献2）。（2）把所需仪器按实验方案的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。（3）选取量程为14mm的玻璃标尺作为被测物，固定其位置（离光源的位置大约30mm），在玻璃标尺后置一凸透镜，调整凸透镜的位置，使标尺刚好处于凸透镜的焦平面位置处。（4）调节物镜与物镜的位置，使其间距等于两透镜焦距之和。（5）在两个凸透镜之后放上读数显微镜，调节显微目镜，使目视场中分划线调节清晰，移动镜座使标尺放大像清晰地在目镜分划尺上。通过观看标尺的像，调节读数显微镜的鼓轮，使读数显微镜的分划板上十字丝与标尺某个刻度的位置重合，记录此时测微目镜所对应的刻度，沿着同一方向转动鼓轮，使读数显微镜的分划板上十字丝与标尺另一个刻度的位置重合，记录此时读数显微镜所对应的刻度。改变测微目镜的分划板上十字丝与标尺某个像的位置重合位置，重复上述步骤并记录数据。（6）将物镜目镜分别换成焦距为190mm、70mm的凸透镜组合，重复上面的步骤并记录数据。3.4 数据记录及处理测量无焦系统视放大率：表1测量次数标尺(mm)物的高度y(mm)读数显微镜 (mm)像的高度y(mm)初位置末位置初位置末位置112.013.01.03.9401.2082.6522.65211.513.01.54.6000.9003.7002.47313.511.02.5-0.0455.5255.5702.23物镜焦距= 150mm ，目镜焦距= 50mm视放大率：相对误差：表2测量次数标尺(mm)物的高度y(mm)读数显微镜 (mm)像的高度y(mm)初位置末位置初位置末位置110.011.01.01.5664.1602.5942.59211.510.01.55.2521.4163.8362.56310.012.52.51.5627.8366.2742.51物镜焦距= 190mm ，目镜焦距= 70mm视放大率：相对误差：3.5 误差分析本实验中可能造成误差的原因有：（1）读数时的误差。由于光学实验容易使眼睛产生疲劳，因此读数误差应该是实验中的主要误差。（2）仪器误差。可能因透镜的磨损等原因造成透镜的实际焦距与实验室所给的焦距有所偏差，在计算中造成实验理论数据偏差；标尺的分度值是0.5mm，限制了读数的准确性；由于光具座的中心与透镜的中心并不在同一竖直线上，通过光具座的读数值与透镜实际位置有偏差8。（3）因薄透镜的成象规律是在假定透镜很薄和近轴光线条件下得出的，实际上透镜有一定厚度，目镜的共轴调节只采取了粗调，光学系统很难达到理想的近轴条件。4 实验总结与改进4.1 几个问题的讨论(1)如何用分划板产生无穷远处物体的效果？在标尺后放一凸透镜，调节其位置，使分划板与凸透镜的间距等于凸透镜的焦距，再在分划板前用一光源照射标尺，则由凸透镜的性质知，分划板的刻度经凸透镜后成平行光，这样，分划板就可当做无穷远处的物体。(2)本实验中使用的读数显微镜物镜的物镜放大率为1倍，目镜的视放大率约为20倍，用它测量像高的大小时，为什么测微目镜的放大倍数不用考虑？因为读数显微镜内的主尺也被放大了同样的倍数，即通过该目镜测得的的刻度与实际的刻度数相同，故测微目镜的放大倍数不用考虑。(3)用同一台望远镜观测不同距离的物体时，其视放大率是否改变？由前面分析可知，对于无焦系统，放大倍率仅与透镜焦距有关，而与物体距离无关，改变物距，视放大率不变。有光学间隔且物像共面时的视放大率，物距增大，视放大率减小；物距减小，视放大率增大。这从前面相应光路图中也能看出。4.2 改进减小实验误差根据前面讨论的产生误差的原因，可作如下改进，以减小实验误差：(1)由于光源比较强烈，观察时对眼睛伤害比较大，可在光源后面加一半透半反镜，与其他透镜成45度角放置，以减弱光线的强度，这样可减小观察及读数时对眼睛的刺激，使眼睛不那么疲劳，以增加读数的准确性。(2)由于透镜所标的焦距值可能不准确，可在实验前先精确测量所用透镜的焦距，以减小理论的误差,测量焦距有自准法、共轭法、平行光法等。在确定物镜及目镜的位置时，可利用平行光管，使物镜与目镜的间距等于其焦距之和，以组成无焦系统。具体操作为：先将平行光管置于物镜左侧，右侧放一接收屏P，调节P的位置，使其上出现一个亮点，记下P位置，该处即为。固定接受屏P，在P右侧放置目镜，右侧放置平行光管，调节位置，使P上出现一个亮点，则此时和重合，即和组成无焦系统。(3)为使各器件尽可能共轴，在目测共轴后可以透镜成像规律为