大学物理实验光学仪器的设计.pptx

实验题目：光学仪器设计实验题目：光学仪器设计实验性质：设计性实验实验性质：设计性实验李振声李振声物理教研室物理教研室 显微镜显微镜为人类为人类打开了打开了“近在眼前近在眼前”的微小的微小世界的大门世界的大门望远镜望远镜则帮助人类揭示则帮助人类揭示了了“远在天边远在天边”的星球世界的星球世界的奥秘的奥秘n n学会透镜焦距的测量方法。学会透镜焦距的测量方法。n n掌握光学仪器系统的设计、测试的基本方掌握光学仪器系统的设计、测试的基本方法法n n应用提供的透镜、光具座及基本的测试工应用提供的透镜、光具座及基本的测试工具，设计并组装望远镜、显微镜具，设计并组装望远镜、显微镜实验目的实验目的重点重点难点难点实验仪器实验仪器n n光具座，凸透镜光具座，凸透镜光具座，凸透镜光具座，凸透镜2 2个（作望远镜用），物屏个（作望远镜用），物屏个（作望远镜用），物屏个（作望远镜用），物屏1 1个、光个、光个、光个、光屏屏屏屏1 1个，光源个，光源个，光源个，光源1 1套，透镜夹套，透镜夹套，透镜夹套，透镜夹2 2个，卷尺个，卷尺个，卷尺个，卷尺1 1个，干板夹个，干板夹个，干板夹个，干板夹1 1个，游标卡尺个，游标卡尺个，游标卡尺个，游标卡尺1 1把，过渡架把，过渡架把，过渡架把，过渡架1 1个，有机玻璃直尺个，有机玻璃直尺个，有机玻璃直尺个，有机玻璃直尺1 1把，把，把，把，显微测微尺显微测微尺显微测微尺显微测微尺1 1个，显微镜目镜个，显微镜目镜个，显微镜目镜个，显微镜目镜1 1个，显微镜物镜个，显微镜物镜个，显微镜物镜个，显微镜物镜1 1个个个个等。等。等。等。一、预备知识一、预备知识凸透镜焦距的测量方法凸透镜焦距的测量方法1、自准直法、自准直法（平面镜法）（平面镜法）当物距等于透镜的焦距时，当物距等于透镜的焦距时，物体任一点发出的光经过物体任一点发出的光经过透镜折射后成为平行光，透镜折射后成为平行光，经平面镜反射，会聚光线经平面镜反射，会聚光线在透镜的焦平面上成一个在透镜的焦平面上成一个与原物大小相等的倒立实与原物大小相等的倒立实像。像。注意共轴调节注意共轴调节2 2、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理n n首先确定物象间的距离首先确定物象间的距离首先确定物象间的距离首先确定物象间的距离D4fD4f。n n如果透镜在这个距离之间能有如果透镜在这个距离之间能有如果透镜在这个距离之间能有如果透镜在这个距离之间能有两个成像（一个放大的，另一两个成像（一个放大的，另一两个成像（一个放大的，另一两个成像（一个放大的，另一个缩小的），且两次透镜位置个缩小的），且两次透镜位置个缩小的），且两次透镜位置个缩小的），且两次透镜位置间的距离为间的距离为间的距离为间的距离为d d，则，则，则，则3、物距像距法测量焦距（高斯公式法）、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、望远镜的组装二、望远镜的组装n n光学望远镜的分类：光学望远镜的分类：n n反射式望远镜反射式望远镜反射式望远镜反射式望远镜n n折反射望远镜折反射望远镜折反射望远镜折反射望远镜n n折射式望远镜折射式望远镜折射式望远镜折射式望远镜1 1、反射望远镜：用凹面反射镜作物镜的望远镜、反射望远镜：用凹面反射镜作物镜的望远镜、反射望远镜：用凹面反射镜作物镜的望远镜、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主要优点是不存在色差主要优点是不存在色差主要优点是不存在色差 。牛顿牛顿用用2.5cm直径的金属，磨制成一直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成放置了一个与主镜成45度角的反射镜度角的反射镜 1672年卡塞格林所发明。年卡塞格林所发明。由两块反射镜组成的一种由两块反射镜组成的一种反射望远镜，反射望远镜，卡卡塞塞格格林林望望远远镜镜牛牛顿顿望望远远镜镜2 2、折反射望远镜、折反射望远镜、折反射望远镜、折反射望远镜 。在球面反射镜的基础上，再。在球面反射镜的基础上，再。在球面反射镜的基础上，再。在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件加入用于校正像差的折射元件加入用于校正像差的折射元件加入用于校正像差的折射元件 ,以消除球面差。以消除球面差。以消除球面差。以消除球面差。1931年美国施密特发明年美国施密特发明1940年苏联光学家马克苏托发明年苏联光学家马克苏托发明施施密密特特望望远远镜镜马马克克苏苏托托望望远远镜镜3 3、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。意大利物理学家意大利物理学家意大利物理学家意大利物理学家伽伽伽伽利略利略利略利略16091609年发明望年发明望年发明望年发明望远镜远镜远镜远镜德国天文学家德国天文学家德国天文学家德国天文学家开普勒开普勒开普勒开普勒16111611年发明望远年发明望远年发明望远年发明望远镜。镜。镜。镜。n n伽利略望远镜伽利略望远镜伽利略望远镜伽利略望远镜由凹透镜当目镜。由凹透镜当目镜。由凹透镜当目镜。由凹透镜当目镜。n n优点：优点：优点：优点：观察的是正立的像，结构简单、轻便，光能损失少，镜筒短，观察的是正立的像，结构简单、轻便，光能损失少，镜筒短，观察的是正立的像，结构简单、轻便，光能损失少，镜筒短，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。成正立虚像。成正立虚像。成正立虚像。n n缺点：缺点：缺点：缺点：放大倍数小，观察视野窄，倾角大的光线不能进入眼睛，无放大倍数小，观察视野窄，倾角大的光线不能进入眼睛，无放大倍数小，观察视野窄，倾角大的光线不能进入眼睛，无放大倍数小，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。中间像，不好装叉丝或分划板。中间像，不好装叉丝或分划板。中间像，不好装叉丝或分划板。用途：用途：用途：用途：看戏剧看戏剧看戏剧看戏剧玩具望远镜玩具望远镜玩具望远镜玩具望远镜总的视角放大率总的视角放大率:焦点重合焦点重合开普勒望远镜开普勒望远镜开普勒望远镜开普勒望远镜凸透镜当目镜。凸透镜当目镜。凸透镜当目镜。凸透镜当目镜。成像上下成像上下成像上下成像上下左右颠倒。（需要在物镜后面添加棱镜组或左右颠倒。（需要在物镜后面添加棱镜组或左右颠倒。（需要在物镜后面添加棱镜组或左右颠倒。（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透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像 ）1612年发明年发明德国天文学家德国天文学家Johannes Kepler，1571-1630 4、开普勒望远镜的设计要点、开普勒望远镜的设计要点（1）物镜的焦距大于目镜的焦距。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。）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。）物体经大焦距的物镜后在焦平面上成缩小的实像。(物物镜的作用是将远处的物体聚焦在目镜物方的焦平面上）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。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（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）放大为一虚像）注意共轴调节注意共轴调节三、显微镜的组装三、显微镜的组装扫描显微镜扫描显微镜荧光倒置显微镜荧光倒置显微镜相差显微镜相差显微镜暗视野显微镜暗视野显微镜偏光显微镜偏光显微镜微分干涉差显微镜微分干涉差显微镜激光共聚焦显微镜激光共聚焦显微镜普通光学微镜普通光学微镜荧光正置显微镜荧光正置显微镜原子力显微镜原子力显微镜电子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显微镜的设计1、显微镜的光学原理图和视角放大率、显微镜的光学原理图和视角放大率M=MeMe物镜的放大率物镜的放大率目镜的放大率目镜的放大率明视距离明视距离光学镜筒长光学镜筒长FoFeFo、Fe25cm25cm光学筒长光学筒长靠近焦点靠近焦点2、显微镜的设计要点、显微镜的设计要点（1）显微镜的显微镜的fofe。（2）目镜和物镜之间的距离比）目镜和物镜之间的距离比fo,fe大得多。大得多。（3）分划板位于物镜像方焦平面上。）分划板位于物镜像方焦平面上。（4）物体位于物镜（）物体位于物镜（objective）物方焦点前附近。）物方焦点前附近。（5）物体经物镜后，在目镜（）物体经物镜后，在目镜（eyepiece）的物方焦面内侧成）的物方焦面内侧成一个倒立放大的实像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）再经大焦距的目镜后在大于明视距离外成一放大的虚像像I2供眼睛观察。供眼睛观察。注意共轴调节注意共轴调节物像共轭法测量物像共轭法测量物像共轭法测量物像共轭法测量n n物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。n n在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏。n n将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方，将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方，将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方，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在光屏上成一缩小的像在光屏上成一缩小的像在光屏上成一缩小的像y3y3，并量之。，并量之。，并量之。，并量之。n n计算望远镜的角放大率。计算望远镜的角放大率。计算望远镜的角放大率。计算望远镜的角放大率。四、望远镜角放大率的测量方法四、望远镜角放大率的测量方法注意共轴调节注意共轴调节五、显微镜的调节和角放大率的测量五、显微镜的调节和角放大率的测量(物像共面法测量计算物像共面法测量计算)n n（1 1）显微测微尺）显微测微尺）显微测微尺）显微测微尺（分度值为（分度值为（分度值为（分度值为0.01mm0.01mm或或或或0.05mm0.05mm）安放在距物镜略大于焦距处安放在距物镜略大于焦距处安放在距物镜略大于焦距处安放在距物镜略大于焦距处n n（2 2）调节目镜，使测微尺的像通过显微镜清晰地观调节目镜，使测微尺的像通过显微镜清晰地观调节目镜，使测微尺的像通过显微镜清晰地观调节目镜，使测微尺的像通过显微镜清晰地观察到。察到。察到。察到。注意共轴调节注意共轴调节显微测微尺显微测微尺n n（3 3）选一个直尺如图中的有机玻璃直尺，将）选一个直尺如图中的有机玻璃直尺，将）选一个直尺如图中的有机玻璃直尺，将）选一个直尺如图中的有机玻璃直尺，将其置于距目镜其置于距目镜其置于距目镜其置于距目镜25cm25cm处（明视距离）处（明视距离）处（明视距离）处（明视距离）n n（4 4）调节显微镜的目镜，使测微尺的像落在）调节显微镜的目镜，使测微尺的像落在）调节显微镜的目镜，使测微尺的像落在）调节显微镜的目镜，使测微尺的像落在直尺上且没有视差，直尺上且没有视差，直尺上且没有视差，直尺上且没有视差，n n（5 5）读出测微尺的像落在直尺上（重合区段）读出测微尺的像落在直尺上（重合区段）读出测微尺的像落在直尺上（重合区段）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内）相对应的长度，即可得到显微镜的放大率内）相对应的长度，即可得到显微镜的放大率内）相对应的长度，即可得到显微镜的放大率 六、实验数据记录六、实验数据记录n n表表表表1 1 用高斯公式法测量望远镜用透镜焦距原始数据用高斯公式法测量望远镜用透镜焦距原始数据用高斯公式法测量望远镜用透镜焦距原始数据用高斯公式法测量望远镜用透镜焦距原始数据(单位：单位：单位：单位：mm)mm)NO.NO.透镜透镜1 1 透镜透镜2 2u uv vf f1u uv vf f21 12 23 34 45 5n n表表表表2 2 共轭法测望远镜视角放大率的数据共轭法测望远镜视角放大率的数据共轭法测望远镜视角放大率的数据共轭法测望远镜视角放大率的数据（单位：（单位：（单位：（单位：mmmm，f fo o=f=fe e=）测量次数测量次数物的大小物的大小像的大小像的大小Mi12345 n n表表表表3 3 显微镜视角放大率测量数据显微镜视角放大率测量数据显微镜视角放大率测量数据显微镜视角放大率测量数据(f(f0 0=1.6cm f=1.6cm fe e=2.5cm=2.5cm，光学筒长，光学筒长，光学筒长，光学筒长l=16cm l=16cm 目镜放大率目镜放大率目镜放大率目镜放大率1010，物镜放大率，物镜放大率，物镜放大率，物镜放大率1010)NO.微尺格数微尺格数0.01（或（或0.05）mm微尺像在直尺上的格数微尺像在直尺上的格数1mmMi12345望远镜的角放大率测量值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理论值望远镜角放大率的测量结果百分误差百分误差七、数据处理七、数据处理显微镜的角放大率测量值显微镜的角放大率测量值显微镜角放大率理论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百分误差八、注意事项八、注意事项n n1、轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲、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。击或震动，特别要防止摔落。n n2、光学元件应随时装入专用盒内并放入平、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。台的箱子内，最好放入干燥器中保存。n n3、切忌用手接触元件的光学表面。如必需、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，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。如透镜的边缘、棱镜的上下底面等。n n4 4、光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱、光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱、光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱、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。脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。n n5 5、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的、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，更不准用手镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的帕、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污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有所有所有所有镀膜面均不能接触或擦拭镀膜面均不能接触或擦拭镀膜面均不能接触或擦拭镀膜面均不能接触或擦拭。n n6 6、防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。、防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。、防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。、防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。