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1

6.6cm 。

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Γ表示，其定义为

w

w tan tan /

=Γ （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o L 为物镜（焦点在o F 和/o F ）,其焦距为o f ；e L 为目镜， 其焦距为e f 。将长度为1y 的被观测物AB 放在o L 的焦距外且接近焦点o F 处，物体通过 物镜成一放大的倒立实像//B A (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////B A (其长度为3y )。虚像////B A 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e F 之间的距离δ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

1

2

2313///tan tan y y y y D y D y w w ?

===Γ （2） 式中，

e e

f D u D y y Γ=≈=223，为目镜的视觉放大率；01112βδ

=≈=o

f u v y y （因1v 比o f 大得多），为物镜的线放大率。

因而式（2）可改写成

e o

e f f D Γ?=?=

Γ0βδ （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o

f e f 、δ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

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=?=Γ。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。

图2

1－小照明光源S ，2－干版架，3－微尺M 1

（1/10 mm ），4－二维架或透镜架，5－物镜Lo （0'f =45 mm ），6－二维架，7－三维调节架，8－目镜Le （e 'f =29 mm ），9

－45°玻璃架，10－升降调节座，11－双棱镜架，12－毫米尺M 2（l =30 mm ），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

IIB GSZ -型光学平台，小照明光源S ，微尺，45mm 物镜,29mm 目镜，玻璃架，毫米尺，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4

1。多次测量求平均值。

)(2为焦距f f v u == （4）

3'S

2y

图4

3、按装置图装配显微镜

根据要求将物镜o L 与目镜e L 的距离定为24cm ；在e L 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o L 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a

b 10

?=Γ计算出简单显微镜的视觉放大率。将cm D 25=和光学间隔

o e f f L --=δ（L 、e f 和o f 前面已经测出）代入公式e o

D f f δ

Γ=

?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；

2. 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Γ的理论值 （2）简单显微镜视觉放大率Γ的测量值 （3）物镜o L 与目镜e L 之间的距离L ： （4）光学间隔δ为： （5）根据公式e o

D f f δ

Γ=

?有： （6）简单显微镜视觉放大率Γ的测量相对偏差