实验五 显微镜望远镜放大倍数的测定.docx
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实验五显微镜望远镜放大倍数的测定
实验五显微镜与望远镜放大本领的测定
望远镜和显微镜都是用途极为广泛的助视光学仪器，显微镜通过放大物所成的像，来帮助人们观察近处的微小物体，而望远镜则是通过放大远处物的视角，帮助人们观察远处的目标，它们常被组合在其他光学仪器中使用．为适应不同用途和性能的要求，望远镜和显微镜的种类很多，构造也各有差异，但是它们的基本光学系统都由物镜和目镜组成．望远镜和显微镜在天文学、电子学、生物学和医学等领域中都起着十分重要的作用．
光学望远镜从诞生至今将近400年，出现了折射望远镜、反射望远镜、折反射式望远镜和空间望远镜，不断推动着天文学和物理学的发展．
长久以来，人们仰望天空，看见日月星辰东升西落，有过天圆地方、地心说、日心说等宇宙模型．但过去人们只能用肉眼对星空进行观察，观测范围非常局限，所得的数据资料也就非常有限．凭借着物理学的不断发展，多种望远镜被制造出来，越来越精密，推动着天文学和物理学不断向前发展，人类的视野也变得更深更广．
·实验目的
1.熟悉显微镜和望远镜的构造及其放大原理；
2.进一步熟悉透镜成像规律及光学系统的共轴调节方法；
3.学会一种测定显微镜和望远镜放大本领的方法；
4.掌握显微镜、望远镜的正确使用方法．
·实验仪器
显微镜，望远镜，标尺，标准石英尺，测微目镜，照明灯．
图5-1显微镜的结构
显微镜是一种复杂的光学仪器．它是医学实验常用工具之一，其作用是将观察的标本放大，以便观察和分析．一般光学显微镜包括机械装置和光学系统两大部分，如图5-1所示．
一、机械装置
1.镜座：
位于最底部的构造，为整个显微镜的基座，用以支持着整个镜体，起稳固作用．
2.镜柱：
为垂直于镜座上的短柱，用以支持镜臂．
3.镜臂：
为支持镜筒和镜台的呈弓形结构的部分，是取用显微镜时握拿的部分．镜筒直立式光镜在镜臂与其下方的镜柱之间有一倾斜关节，可使镜筒向后倾斜一定角度以方便观察，但使用时倾斜角度不应超过45°，否则显微镜由于重心偏移容易翻倒．
4.调节器：
也称调焦螺旋，为调节焦距的装置，位于镜臂的上端（镜筒直立式光镜）或下端（镜筒倾斜式光镜），分粗调节器（大螺旋）和细调节器（小螺旋）两种．粗调节器可使镜筒或镜台作大幅度的升降，适于低倍镜观察时调焦．细调节器可使镜筒或镜台缓慢或较小幅度地升降，在低倍镜下用粗调节器找到物体后，在高倍镜和油镜下进行焦距的精细调节，藉以对物体不同层次、深度的结构做细致地观察．
5.镜筒：
位于镜臂的前方，它是一个齿状脊板与调节器相接的圆筒状结构，上端装载目镜，下端连接物镜转换器．根据镜筒的数目,光镜可分为单筒式和双筒式．单筒光镜又分为直立式和倾斜式两种,镜筒直立式光镜的目镜与物镜的光轴在同一直线上,而镜筒倾斜式光镜的目镜与物镜的中心线互成45°角,在镜筒中装有使光线转折45°的棱镜；双筒式光镜的镜筒均为倾斜式的．
6.物镜转换器：
又称旋转盘，位于镜筒下端的一个可旋转的凹形圆盘上，一般装有2～4个放大倍数不同的接物镜．旋转它就可以转换接物镜．旋转盘边缘有一定卡，当旋至物镜和镜筒成直线时，就发出“咔”的响声，这时方可观察玻片标本．
7.载物台：
位于镜臂下面的平台，用以承放玻片标本．载物台中央有一圆形的通光孔，光线可以通过它由下向上反射．
（二）光学系统
1.反光镜：
是装在镜台下面、镜柱前方的一面可转动的圆镜，它有平凹两面．平面镜聚光力弱，适合光线较强时使用．凹面镜聚光力强，适于光线较弱时使用．转动反光镜，可将光源反射到聚光镜上，再经镜台中央圆孔照明标本．
2.聚光镜：
在镜台下方，是一组透镜，用以聚集光线增强视野的亮度．镜台上方有一调节旋钮，转动它可升降聚光镜．往上升时增强反射光，下降时减弱反射光．
3.可变光栏：
是在聚光镜底部的一个圆环状结构．它装有多片半月形的薄金属片，叠合在中央成圆孔形．在圆环外缘有一突起的小柄，拨动它可使金属片分开或合拢，用以控制光线的强弱，使物像变得更清晰．
4.目镜：
装在镜筒上端，其上一般刻有放大倍数（如5×，10×）．目镜内常装有一指示针，用以指示要观察的某一部分．
5.物镜：
装在物镜转换器上，一般分低倍镜、高倍镜和油镜三种．低倍镜镜体较短，放大倍数小；高倍镜镜体较长，放大倍数较大；油镜镜体最长，放大倍数最大（在镜体上刻有数字，低倍镜一般有4×、10×，高倍镜一般有40×、45×，油镜一般是90×、100×，×表示放大倍数）．
测微目镜由目镜、分划板、读数鼓轮与连接装置等组成．目镜把叉丝和被观测的像同时放大，其放大倍数不影响测量数据大小，但可以提高测量准确程度．
测微目镜的基本结构剖视图如图5-2所示．目镜镜头通过调焦螺纹固定在目镜外壳中部．外壳内有一块刻有十字丝的透明叉丝板，外壳右侧装有测距螺旋（即千分尺）系统，转动测距手轮，其螺杆将带动叉丝板移动．叉丝板的移动量可通过手轮上的千分尺测出．透明十字叉丝板后面是一个固定的玻璃标尺，标尺上刻有毫米尺，每格1mm，量程为8mm．旋转读数鼓轮，刻有十字叉丝的可动分划板就可以左右移动．读数鼓轮每旋转一周，叉丝移动1mm，鼓轮上有100个分格，故每一格对应的读数为0.01mm，再估读一位．其读数方法和螺旋测微器差不多．在测量过程中，要始终沿着一个方向移动叉丝，不得回旋．
测微目镜通常用来测金属丝、干涉条纹等的宽度．测量时，使双线与待测物质边缘平行，叉丝交点与待测物的边缘重合，开始计数．在测量过程中，要始终沿着一个方向移动叉丝，不得回旋．
图2测微目镜的基本结构剖视图
·实验原理
最简单的望远镜与显微镜都是由目镜和物镜两个透镜共轴所组成．物镜的像方焦点到目镜的物方焦点之间的距离（即光学间隔）为Δ．望远镜用来观察远处的物体，显微镜则是用来观察近处的微小物体，他们的放大作用都可以用放大本领M来描述，可表示为：
（5-1）
式中
为像所张的视角；
为物体直接对眼睛所张的视角．
一、望远镜的构造及其放大原理
望远镜由物镜和目镜组成，物镜用反射镜的称反射式望远镜，物镜用透镜的称折射式望远镜．目镜是会聚透镜的称为开普勒望远镜，目镜是发散透镜的称为伽利略望远镜．
对于望远镜，两透镜的光学间隔Δ≈0，即物镜的像方焦点与目镜的物方焦点近乎重合．图5-3所示为开普勒望远镜的光路示意图．图中L0为物镜（焦距较长），Le为目镜（焦距较短），远处物体PQ经物镜LO后在物镜的像方焦点F'上成一倒立实像P'Q'，像的大小决定于物镜焦距及物体与物镜间的距离．像P'Q'一般是缩小的．近乎位于目镜的物方焦面上，经目镜LE放大后成虚像P"Q"于观察者眼睛的明视距离与无穷远之间．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”．
图5-3开普勒望远镜的光路示意图
由理论计算可得望远镜的放大本领为：
（5-2）
式中fo′为物镜的焦距，fE′为目镜的焦距，上式表明，物镜的焦距越长、目镜的焦距越短，望远镜的放大本领则越大．开普勒望远镜（fo′＞0，（fE′＞0），放大本领M为负值，系统成倒立的像；而对伽利略望远镜（fo′＞0，（fE′＜0），放大本领M为正值，系统成正立的像．因实际观察时，物体并不真正处于无穷远，像亦不成在无穷远，但式（5-2）仍近似适用．
二、显微镜的构造及其放大原理
显微镜和望远镜的光学系统十分相似，都是由物镜和目镜组成．显微镜的结构一般认为是由两个会聚透镜共轴组成，如图5-4所示，实物PQ经物镜L0成倒立实像P'Q'于目镜Le的物方焦点Fe的内侧，再经目镜Le成放大的虚像P"Q"于人眼的明视距离处或无穷远处．理论计算可得显微镜的放大本领为：
（5-3）
式中
为物镜的放大本领，ME是目镜的放大本领，fo′，fE′为物镜和目镜的像方焦距，Δ是显微镜的光学间隔，SO＝-25cm为正常人眼的明视距离．由上式可知，显微镜的镜筒越长，物镜和目镜的焦距越短，放大本领就越大，通常物镜和目镜的放大本领，是标在镜头上的．
图5-4显微镜光路图
用望远镜或显微镜观察物体时，一般视角均甚小，因此视角之比可用其正切之比代替，于是光学仪器的放大本领M可近似地写成
式中l0是被测物的大小PQ，l是在物体所处平面上被测物的虚像的大小P"Q"．
·实验内容与步骤
一、显微镜放大倍数的测定
1.将标准石英尺放在显微镜载物台上夹住．
2.选择适当倍率的目镜，调节聚光镜、反光镜及光阑，使目镜中观察到强弱适当而均匀的视场．
3.熟悉显微镜的机械结构，学会调节使用，先用低倍物镜对石英尺进行调焦，先粗调、后微调，直至目镜视场中观察到最清晰的像，如果观察物的像不在视场中间，则可调节载物台移动手轮，将其移至视场中心进行观察．
4.将目镜卸下，换上测微目镜，首先对测微目镜的目镜进行调焦，看清分划板，在调节显微镜的物镜调焦手轮，至标尺的像最清晰且无视差．
5.转动测微目镜使分划板上“双线”与标准石英尺的刻度（石英尺刻度部分全长lmm，共分100小格，每格宽O．01mm）平行，然后将叉丝移至和显微镜视场中标准石英尺某一刻度重合，记下测微目镜的读数
．转动测微目镜鼓轮，使叉丝在标准石英尺上移动5格，这时叉丝与标准石英尺上另一刻度线重合，记下测微目镜的读数
．依此每隔5格记录一组数据，共记录10组数据．
6.用逐差法处理数据，求出标尺5格对应像的大小，求其平均值，计算出物镜的放大本领．
二、望远镜放大本领的测定
1．将望远镜夹好，在垂直望远镜光轴方向距离目镜25cm处放置一毫米分度的米尺A，调节望远镜调焦手轮，把望远镜调焦到无穷远处，即望远镜能看清楚远处的物体．
2.在A尺上套上两白纸条，其间距可调，如图5-5所示．一只眼睛通过望远镜观察米尺的像B，另一只眼睛直接看米尺A，经过多次观察，调节眼睛使得米尺A与望远镜中的米尺像B重合．以B尺为标尺，选定A尺的上两纸带的间距为10格，记录其相当于B尺上的格数
，重复3-5次，算出望远镜的放大倍数，取其平均值，并计算平均绝对偏差．
3.取两纸带的间隔分别为8格和13格，重复上述步骤进行测量
．
图5-5望远镜放大倍数测定原理
·实验数据测量
1.用测微目镜测经显微镜放大的石英标尺像刻度间隔数据表
测量间隔：
每隔5小格标尺像刻度读一次数
序号i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
xi（mm）
2.望远镜视角放大率测量数据表
标记实际长度l0（mm）
80
100
130
重复测量序号
1
2
3
1
2
3
1
2
3
上缘对应镜内刻度Yu（mm）
下缘对应镜内刻度Yl（mm）
镜内对应长度l=Yl-Yu（mm）
望远镜放大率M=l0/l
·实验注意事项
1．注意不要用手摸透镜、反射镜等光学元件的光学表面，，以免在光学面上留下痕迹，使成像模糊或无法成像．
2．在实验过程中，注意光学仪器要轻拿轻放，勿使仪器受到震动和磨损．
3．用测微目镜测量时要注意回程误差．
4．测望远镜放大本领时，两只眼睛要同时观察，同时看清A、B两尺的像，并将A、B两尺的像重合在一起时，方可读数．
·历史渊源与应用前景
望远镜和显微镜的发明是17世纪光学的伟大成就．显微镜的发明，使人类第一次发现了微生物和细胞生存的世界．第一架显微镜由荷铸眼镜匠詹森父子发明，后由伽利略改良而成．最初的显微镜只能放大50-200倍，到1932年德国的诺尔和鲁斯卡发明了世界第一台电子显微镜，它是利用德布罗依物质波原理制造而成的，它能放大1万倍，到20世纪90年代发展到放大率可达200万倍，由此人们发现了原子世界．1983年人们又发明了基于量子力学原理造而成的扫描隧道显微镜，开创了纳米科技的观测手段．后来人们又发明了原子力显微镜，它是根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显微镜．可观察大分子在体内的活动变化．
1608年荷兰的眼睛匠利佩希偶然地制造出了第一架望远镜，它的目镜为一凹透镜，被称为荷兰望远镜．发明望远镜的消息迅速在欧洲传开，1609年伽利略得悉这一消息后，立即动手制作，并把自制的望远镜第一个指向天空，首先发现了月亮上的山脉和火山口．伽利略设计了由两个凸透镜构成的开普勒望远镜，第一架开普勒望远镜由天文学家沙伊纳制成．
1668年，牛顿（Newton，I．1642~1727）用2.5厘米直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45°角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜，制成了反射望远镜．1672年牛顿有制造了第二架反射望远镜，全长1.2m，口径为2m，并把它献给了英国皇家学会．往后的几百年间，人们提出了反射镜的多种设计方案．1918年末，口径为254厘米的胡克望远镜（Hookertelescope）投入使用，它第一次揭示了银河系的真实大小和我们在其中所处的位置，更为重要的是，哈勃（Hubble，E．P．1889~1953）的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果．相对于折射镜，反射镜没有色差，容易制作；但它也存在固有的不足：
如口径越大，视场越小，物镜需要定期镀膜等．
随后又出现了能兼顾折射和反射两种望远镜优点的折反射式望远镜，非常适合业余的天文观测和天文摄影，并且得到了广大天文爱好者的喜爱．它的特点是相对口径很大（甚至可大于1），光力强，视场广阔，像质优良．适于巡天摄影和观测星云、彗星、流星等天体．
自1970年代以来，在望远镜的制造方面有了许多新技术，涉及光学、力学、计算机、自动控制和精密机械等领域，使望远镜的制造突破了镜面口径的局限．然而，由于地球大气对电磁波的吸收作用，地面观测具有严重的局限性．物理学在不断地发展，直到人造卫星上天，航天技术逐渐成熟，空间天文学才兴起．1990年4月24日，由美国国家航空与航天局（NASA）和欧洲空间局（ESRO）联合研制的哈勃空间望远镜（HST）的发射成功，是天文学走向空间时代的一个里程碑．空间观测与地面观测相比，有极大的优势：
没有了大气层的干扰，恒星不再闪烁．分辨率比起地面的大型望远镜提高了几十倍．灵敏度的提高，使可观测的天体迅速增加．空间没有重力，仪器就不会因自重而变形．频率覆盖范围也大大地变宽，全波段天文观测成为可能，对于光学望远镜，可以接收到宽得多的波段．就哈勃空间望远镜（现已退役）而言，主望远镜是口径为2.4米的反射望远镜，还携带了广角行星照相机，暗弱天体照相机，暗弱天体光谱仪，高分辨率光谱仪，高速光度计，成象光谱仪，近红外照相机，多目标摄谱仪，高级普查摄像仪，高新巡天照相机等精密仪器，观测范围早已突破了可见光波段，向红外和紫外两端延伸．其功能之强大，在天文学的许多领域中作出了巨大的贡献，如：
银河系中心、双星系统、近邻星系、宇宙早期星系、黑洞研究等等．
在望远镜的庞大家族里，除了以上介绍的光学望远镜以外，还有射电望远镜（radiotelescope）、红外望远镜（infraredtelescope）、紫外望远镜（ultraviolettelescope）、X射线望远镜（X-raytelescope）和γ射线望远镜（gammaraytelescope）．随着新型显微镜、望远镜的发展和应用，使人类的视野变得更深更广．
·与中学物理的衔接
中学物理课标对望远镜、显微镜及相关内容的要求是：
1.知道显微镜、望远镜的原理．
2.用两个不同焦距的凸透镜制作望远镜．
3.了解开普勒望远镜和伽利略望远镜的结构．
4.通过望远镜原理的及调节要求的学习，可进一步掌握凸透镜呈像的特点及规律
·自主学习
1．显微镜和望远镜有何异同?
2．显微镜和望远镜的调焦方式有何不同？
为什么？
3．测量标准石英尺时所获得的放大本领为什么不等于物镜的标称放大本领?
4、用同一个望远镜观察不同距离的目标时，其视觉放大本领是否不同？
5、在光具座上自组装的望远镜（或显微镜），如何调节焦距以获得清晰的像？
6.已知什么量？
哪个是待测量？
如何控制变量？
按要求处理实验数据，完成实验报告．
·实验探究与设计
尝试在光具座上设计并组装望远镜或显微镜，写出实验方案，并完成实验．
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