大学物理设计综合性实验透镜望远镜显微镜综合实验

1、大学物理设计综合性实验：透镜望远镜显微镜综合实验一. 实验目的1、 测量凸透镜焦距2、 测量凹透镜焦距3、 了解望远镜和显微镜的构造及其放大原理，并掌握其使用方法4、 了解视放大率的概念并掌握其测量方法二. 实验仪器LED灯、铝合金导轨、光具座、凸透镜（f=90mm）、凸透镜（f=150mm）、凹透镜(f=-65mm)、带分划板目镜组、刻度屏、白屏三. 实验原理、实验内容、步骤、数据记录（1）光具座上各光学元件同轴等高的调节先利用水平尺将光具座导轨在实验桌上调节成水平，然后进行各光学元件共轴等高的粗调和细调（用位移法的两像中心重合或不同大小的实像中心重合，直到各光学元件的光轴共轴，并与光具座导

2、轨平行为止。（在测量焦距的时候，使光通过刻度屏上面的较粗的部分，容易观察到像）刻度屏如下图所示。（2）凸透镜的焦距测量透镜是光学系统中很重要的光学元件，它能把光线会聚或者发散。它本身是由两个折射面包围一种透明介质所构成的元件。焦距则是反映光学透镜特性重要物理量，当透镜的厚度比其焦距小很多时，称为薄透镜不同焦距的透镜及透镜组组成了各种各样的光学仪器，为了使用光学仪器，对透镜焦距的测定是不可缺少的一个重要环节。测定透镜焦距的方法很多，但其原理都是建立在透镜成像规律的基础上。在近轴光线的条件下，薄透镜的成像公式为： （1）本实验采用物像法与二次成像法测量凸透镜的焦距。物像法（利用物距像距公式求焦距）

3、：在实验中分别测出物距u和像距v，即式（1）求出该透镜的焦距f。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。物像法（凸透镜1） 测量次数刻度屏位置（mm）透镜位置（mm）白屏位置（mm）物距v（mm）象距v（mm）（mm）（mm）123物像法（凸透镜2） 测量次数刻度屏位置（mm）透镜位置（mm）白屏位置（mm）物距v（mm）象距v（mm）（mm）（mm）123二次成像法 (又称位移法、共轭法、贝塞尔物像交换法)：物像公式法因透镜的中心位置不易确定而在测量中引进误差，为避免这一缺点，可取物屏和像屏之间的距离D大于4倍焦距(4f)，且保持不变，沿光轴方向移动透镜，则必

4、能在像屏上观察到二次成像。如图3所示，设物距为s时，得放大的倒立实像；物距为s时，得缩小的倒立实像，透镜两次成像之间的位移为d，根据透镜成像公式(1)，处：， 处：， 由上述公式可以推出：因此，只要测量出D和d，就可以求出焦距。二次成像法（凸透镜1）测量次数刻度屏位置（mm）白屏位置（mm）物像距离D（mm）透镜位置（mm）透镜位置（mm）透镜位移d（mm）平均值 （mm）123二次成像法（凸透镜2）测量次数刻度屏位置（mm）白屏位置（mm）物像距离D（mm）透镜位置（mm）透镜位置（mm）透镜位移d（mm）平均值 （mm）123（3）凹透镜的焦距测量(辅助透镜法)：如图4所示，先使物AB发出

5、的光线经凸透镜L后形成一大小适中的实像AB，然后在L和AB之间放入待测凹透镜L ，就能使虚物AB产生一实像AB。分别测出L到AB和AB之间距离S 、S，根据式即可求出L的像方焦距f ´。凹透镜的焦距测量(辅助透镜法)测量次数凹透镜位置(mm)像位置(mm)S2 (mm)像位置(mm)S´(mm)焦距f´(mm)平均值(mm)123（4）望远镜根据光学原理，望远镜分折射式和反射式。本实验主要讨论折射式望远镜。折射式望远镜的光学系统是由物镜和目镜组成的无焦系统，物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合。无穷远物体发出的光经物镜后在物镜焦平面上成一倒立缩小的实像y1，再经目镜

6、成虚像于无穷远处，使视角增大，利于人眼观察。如图6所示图6实际望远镜一般将成虚像于人眼明视距离处；同时物镜与目镜的间距可调，以实现观察远近不同的物体。使用望远镜应先进行视度调节，再进行调焦。望远镜的视角放大M应定义为最后的虚像对目镜所张视角与物体在实际位置所张视角之比，。由于物距远比望远筒长大得多，它对眼睛或目镜所张视角实际上和它对物镜所张视角是一样的。从上图中不难看出，而（，的正负号规定同前），代入式得到，式中负号的意义表示像是倒立的。上式表明，物镜的焦距越长，望远镜的放大倍率越高。Kepler望远镜系统中，物镜与目镜均为凸透镜，所得到的像是倒立放大的像。为了能够观察不同距离物体，我们在物镜

7、和目镜中间加上一个凹透镜，这个凹透镜起到调焦作用，随着凹透镜与分划镜之间距离的改变，望远镜系统观察到的距离也在改变即发现准直透镜与刻度尺的距离在改变。当望远镜对无穷远聚焦时，中间像成在物镜的像方焦面上。这样，平面上的每个点和一个方向的入射线对应，所以当望远镜筒平移时，中间像对镜筒没有相对位移，只有当望远镜的光轴转动时，中间像才会相对它移动，因此望远镜可用来测量两平行光束间的夹角。. Kepler望远镜按图8放置透镜，光源经过准直透镜(f=90mm)发射出平行光。物屏放到物镜（f=150 mm）的焦点处，此时可以观察到物体的像，将目镜的前焦面与白屏重合，即可观察到放大的物体向。（物光经准直透镜准

8、直可以近似当成很远处的物，可以体现望远镜的观察效果）。调试过程中，由于准直透镜焦距误差以及光具座所造成的误差，在保持物镜与目镜距离不变的情况下，可以移动准直透镜以观察到清晰的像。目镜座内的分划板可以调节目镜后旋钮观察清晰。此时该系统为一自组望远镜,在目镜后可以看到物所成的像。视角放大率 （目镜采用F=50MM，视角放大率:5）在上面的基础上，保持物镜与目镜距离不变，在物镜与目镜中间插入凹透镜，可以发现象变模糊了，在移动准直透镜，可以重新得到清晰的像。可以发现当凹透镜往物镜方向移动的时候，准直透镜也往物镜方向移动，可以理解为可以望远镜的焦距发生了变化。从无穷凹透镜紧贴分划板的时候，准直透镜基本可

9、以保持原来原有位置不动。显微镜系统:物的位置在9cm处，物镜位置20m处;屏的位置69.5CM处.得一放大倒立的实像就以此像点处基准,放置目镜,使已知焦距的目镜的物方焦点,落在得放大倒立实像的位置上这样目镜可以第二次放大.取走物屏,轻微调节目镜,或物镜,使能从目镜后面看到放大的像清晰为止此时该系统为一自组显微镜,在目镜后可以看到放大的像，对比分划板上的尺寸与物的尺寸可以得到物体经物镜后的放大倍率即。视场角放大率: （目镜采用F=50MM，视角放大率:5）步骤光路同轴等高调节：调节LED灯的高度，使光源对准刻度屏的方框中心位置（此处的线较细）。LED灯发出的光经过准直透镜后成为平行光。准直透镜的

10、焦距，将准直透镜放在距离刻度屏90mm的位置上，f=的焦点上。将物镜的位置固定，用接收屏来接收刻度屏经物镜所成的像，直到最清晰，并记下此时接收屏所处的位置。移走接收屏，将目镜移近物镜，直至令目镜的物方焦面与接收屏的所处位置大致重合，此时固定好目镜的位置。调节透镜高度使三者同轴等高。 前后微调目镜位置，人眼位于目镜之后进行观察，直至能够看到清晰的像。此时可粗略认为物镜的像方焦面与目镜的物方焦面相重合，从而实现了望远镜的自组。 按实测的物镜、目镜位置及中间实像位置，在直角坐标纸上按1：3比例画出组装的望远镜成像光路图；根据物镜和目镜的焦距,求出计算放大率。 图 8 Kepler望远镜准直透镜位置(

11、mm)物镜位置(mm)目镜位置(mm)望远镜的放大倍率. 内调焦型Kepler望远镜（1）选择合适的透镜，按图7-3组成内调焦Kepler望远镜, 光路调节，同轴等高调节，其中发光管和准直透镜形成平行光, 将刻度屏置放在准直透镜的焦点处。(2)将物镜的位置固定，用接收屏来接收刻度屏经物镜所成的像，直到最清晰，并记下此时接收屏所处的位置。(3)移走接收屏，将目镜移近物镜，直至令目镜的物方焦面与接收屏的所处位置大致重合，此时固定好目镜的位置。调节透镜高度使三者同轴等高。(4)将凹透镜放入物镜与目镜中间，此时可以实现望远镜内调焦，观察不同距离的物体的像，表现出来就是前方准直透镜位置的改变。(5)按实

12、测的物镜、目镜位置及中间实像位置，在直角坐标纸上按1：3比例画出组装的望远镜成像光路图；根据物镜和目镜的焦距,求出计算放大率。内调焦型Kepler望远镜准直透镜位置(mm)物镜位置(mm)调焦凹透镜位置(mm)目镜位置(mm)望远镜的放大倍率III. Galilean望远镜Galilean（伽利略）望远镜是指物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。步骤：（1）选择合适的透镜，按图7-2组成伽利略望远镜, 光路调节，同轴等高调节，将刻度屏置放在准直透镜的。(2)将物镜的位置固定，用接收屏来接收刻度屏经物镜所成的像，直到最清晰，并记下此时接收屏所处的位置。(3)移走接收屏，将目镜移近物镜，直至令目

13、镜的象方焦面与接收屏的所处位置大致重合，此时固定好目镜的位置。调节透镜高度使三者同轴等高。(4)前后微调目镜位置，人眼位于目镜之后进行观察，直至能够看到清晰的像。此时可粗略认为物镜的像方焦面与目镜的象方焦面相重合，从而实现了望远镜的自组。(5)按实测的物镜、目镜位置及中间实像位置，在直角坐标纸上按1：3比例画出组装的望远镜成像光路图；根据物镜和目镜的焦距,求出计算放大率图10 伽利略望远镜准直透镜位置(mm)物镜位置(mm)目镜位置(mm)望远镜的放大倍率（5）显微镜显微镜是用来观察近距离微小目标的目视光学仪器，简单的放大镜的倍率有限（几倍到几十倍），欲得到更大的放大率要靠显微镜。显微镜的原理

14、光路如图所示。在放大镜（目镜）前再加上一个焦距极短的会聚透镜组，称为物镜。物镜和目镜的间隔比它们各自的焦距大的多。被观察的物体放在物镜物方焦点外侧附近，它经物镜成放大实像于目镜物方焦点内侧附近，再经目镜成放大的虚像于明视距离以外。在实际显微镜中为了减少各种像差，物镜和目镜都是复杂的透镜。我们为了突出其基本原理，在图中二者都用一个薄透镜代替。 设为物体的长度，为中间像的长度，和分别为物镜和目镜的焦距，为物镜像方焦点到目镜物方焦点的距离（称为光学筒长）。显微镜的视角放大率为，其中为物体在明视距离处所张视角，即为最后的像所张的视角（，为人眼的明视距离）。现规定由光轴转到光线的方向为顺时针时交角为正，

15、逆时针时交角为负，故这里的。如前所述，和中间像所张的视角一样，故。所以（1），式中是目镜的视角放大率，是物镜的横向放大率。根据薄透镜的横向放大率公式，其中，得，代入（1）式后，得到显微镜视角放大率的最后表达式，式中负号表示像是倒立的。上式表明，物镜、目镜的焦距越短，光学镜筒越长，显微镜的放大倍率越高。图7步骤：1、首先将已知焦距的显微物镜、目镜及物体（透明刻尺）夹持在光具座上，然后将光源、物体、显微镜物镜、目镜依次放置在光具座上，并仔细调节各组成元件的高度，同轴等高（在显微镜系统中，调节LED高度，使光源对准刻度屏中的方框中心，此位较细小的线）。 2、根据已知显微镜物镜的焦距大小，将物放置在物

16、镜的物方焦面附近并分别固定好物及显微物镜的位置；3、用接收屏找寻物体经物镜所成的像的位置，该像应为一倒立放大的实像，记录下此时的位置。移动显微目镜沿轴方向的位置，尽量使其目镜的物方焦面与实像面位置相重合，此时固定好目镜的位置；4、通过微调装置沿轴向前后移动显微物镜进行调焦，人眼位于目镜之后进行观察，并也可相应的沿轴方向调整目镜直至能够看到清晰的像，从而实现了显微镜的自组；5、根据实测的物、物镜、目镜位置和已知的和值，按1：3比例在坐标纸上画出组装的显微镜成像光路图；根据、及、值，计算系统的视角放大率M理论值。6、对比分划板（见下图）以及物体在分划板上所成的像可以得到物体经物镜后的放大倍率，在乘以目镜的放大倍率就是实际的放大倍率。图11显微镜示意图刻度屏位置(mm)物镜位置(mm)白屏位置(mm)目镜位置(mm)物镜放大倍率总放大倍率理论放大倍率五.注意事项1.请在自己的实验桌上做实验，不要到别的实验桌旁干扰同学做实