大学物理实验设计性实验方案

普通物理实验设计性实验方案实验题目：简单显微镜的设计班级：物理学2011级（2）班学号：2011433175姓名：唐洁指导教师：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）、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0.05～0.07mm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wwtantan/（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oL为物镜（焦点在oF和/oF）,其焦距为of；eL为目镜，其焦距为ef。将长度为1y的被观测物AB放在oL的焦距外且接近焦点oF处，物体通过物镜成一放大的倒立实像//BA(其长度为2y)。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////BA(其长度为3y)。虚像////BA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eF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122313///tantanyyyyDyDyww（2）式中，eefDuDyy223，为目镜的视觉放大率；01112ofuvyy（因1v比of大得多），为物镜的线放大率。因而式（2）可改写成eoeffD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ofef、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''B1yBoFA''A'A3yoL'oFeF'B'eF2y'w1u1v2u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。9B8LeFe5F0713Lo32M11S1416415M211121024cm图21－小照明光源S，2－干版架，3－微尺M1（1/10mm），4－二维架或透镜架，5－物镜Lo（0'f=45mm），6－二维架，7－三维调节架，8－目镜Le（e'f=29mm），9－45°玻璃架，10－升降调节座，11－双棱镜架，12－毫米尺M2（l=30mm），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IIBGSZ型光学平台，小照明光源S，微尺M1，45mm物镜L0,29mm目镜Le，45o玻璃架，毫米尺M2，白光源，白屏，若干光学支架和底座。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41。多次测量求平均值。)(2为焦距ffvu（4）LS25cmPeLoL1y'S3y'S2y图43、按装置图装配显微镜根据要求将物镜oL与目镜eL的距离定为24cm；在eL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2M。4、微调微尺1M的位置调整微尺1M离物镜oL的距离，使它经显微镜系统成的像3y与毫米尺2M经45°玻璃板反射的像'S重合。要求反复调整，直到微尺1M的放大像3y与毫米尺2M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1M的放大像和毫米尺2M的反射像，同时微调毫米尺2M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1M放大像3y的格数b所对应的毫米尺2M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ab10计算出简单显微镜的视觉放大率。将cmD25和光学间隔oeffL（L、ef和of前面已经测出）代入公式eoDff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1.微尺、物镜、毫米尺、目镜必须严格的同轴、等高；S'Suv2.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、实验数据记录与数据处理1.数据记录表格2、数据处理（1）简单显微镜视觉放大率的理论值（2）简单显微镜视觉放大率的测量值（3）物镜oL与目镜eL之间的距离L：（4）光学间隔为：（5）根据公式eoDff有：（6）简单显微镜视觉放大率的测量相对偏差