光的力学效应-系列实验
光电效应测量普朗克常量实验报告
光电效应测量普朗克常量实验报告引言：光电效应是20世纪初物理学上的一大发现，这一现象被广泛应用于工业和科学研究中。
实验的目的是通过实验测量普朗克常量（h）。
普朗克常量是量子力学中最重要的常量之一，它是描述微观物理现象的基础。
实验原理：光电效应是指当金属表面受到光的照射时，金属表面上的自由电子可以被激发出来。
这种现象可以用经典物理学和量子力学来解释。
根据经典物理学，当光照射一个金属表面时，光子（光的波动粒子性质）会“撞击”金属表面上的电子，给它们提供一定的能量，如果这些电子获得的能量大于金属的解离能，那么它们就可以脱离金属表面成为自由电子。
而从量子力学的角度看，光子具有一定的能量和波长，对于金属来说，只有能量大于它的等效电离能才能将电子脱离金属表面，且脱离电子的动能与光子的能量差相等。
根据这两种解释，在光照射下，从金属表面脱离的电子数随着入射光的强度和频率而改变。
在实验中，可以通过改变光的频率来控制金属表面上脱离的电子数，进而测量普朗克常量。
另外，测量光电子的动能也是实验的重要指标之一。
实验器材：实验器材主要包括：汞灯、透镜、绿色滤波片（546 nm）和金属片。
在实验的过程中，我们需要依次将汞灯、透镜和绿色滤波片固定在一起，形成一个光源，将金属片放在光源前方，这样当光照射在金属片上时，就可以观察到光电子的逸出现象。
并使用一个数据采集器来测量电压和电流的变化，并通过计算来推导出普朗克常量。
实验步骤：1.首先将汞灯、透镜和绿色滤波片按照实验要求固定在一起，形成一个光源，在不同的电压下调整汞灯的强度，保证光线对金属片的照射强度在合适的范围内。
2.将金属片放置在光源前方，调整金属片的位置，使得光照射在金属片的表面上。
在不同的电压下，记录金属片释放出的光电子电流的变化情况。
3.保持光源的强度和金属片的位置不变，更换不同颜色的滤波片（即不同的波长），测量在不同波长下金属片释放出的光电子电流的变化情况。
4.通过分析实验数据，计算出光子的能量和波长，并推导出普朗克常量的数值。
光电效应的实验观察和解释
光电效应的实验观察和解释在物理学中，光电效应被认为是量子力学和相对论的重要证据之一。
通过实验观察和解释光电效应现象，我们可以更深入地理解光和电的互动关系，为理解微观粒子的行为提供重要线索。
实验观察光电效应的经典实验是汤姆逊的阴极射线管实验。
这个实验装置由一个真空玻璃管组成，内部包含带负电荷的阴极和带正电荷的阳极。
当通过这个装置加电压时，发生引发光电效应的过程。
通过观察阴极射线管的辐射和电子行为，我们可以得出光电效应的一些重要结论。
首先，当阳极电压为零时，阴极射线管发出的辐射不受到外部光的影响，即使在完全黑暗的环境中依然能够观察到辐射。
这表明光电效应与外部光的激发无关，而是由阴极射线管内部的电场引起的。
其次，当阳极电压逐渐增加时，我们观察到阳极上出现电流的现象。
这个电流是由从阴极释放出来的电子流组成。
通过测量电流的变化，我们可以确定光电效应和电压的关系，从而进一步解释光电效应的机制。
为了更深入地了解光电效应，我们可以使用更精密的实验装置来观察和测量。
例如，我们可以使用光电效应实验器进行实验。
这个实验器可以通过改变光的强度和频率、调节靶材的材料和厚度等来研究光电效应的相关参数。
通过这些实验，我们发现光电效应的一些重要规律。
首先，根据爱因斯坦的解释，光电效应实际上是光与电子的相互作用，而不是光的波动现象。
这就解释了为什么光电效应与外部光的频率有关。
根据实验观察结果，光电效应只在光的频率大于一定阈值时才会发生。
而且，光的频率越高，电子的动能越大，电子的击出速度也越快。
其次，光电效应还与光的强度相关。
随着光的强度增加，阴极射线管中的电流也会增加。
这是因为更多的光子照射到阴极上，会引发更多的电子发生光电效应。
另外，光电效应还受到材料的影响。
不同材料的光电效应特性有所不同。
例如，金属材料通常具有较高的电子逸出功，因此需要较大能量的光子才能引发光电效应。
而半导体材料的光电效应可以在可见光范围内实现，这使得光电效应在太阳能电池等技术中得以应用。
光的自旋角动量产生的力学效应
光的自旋角动量产生的力学效应李银妹中国科学技术大学物理系1.引言：光具能量和动量，光的动量包括线性动量和角动量[1]。
携带有角动量的光束与物体相互作用，就可能有角动量的交换，这时物体就受到一个力矩的作用，只要这力矩大于作用在物体上的其它阻力矩，就会使物体产生旋转运动。
光的角动量包括轨道角动量和自旋角动量。
光的轨道角动量与光场的特定空间分布相联系，自旋角动量则取决于光束的偏振状态。
光束的偏振状态不同，光子的平均自旋角动量就不同。
也就是说，光束携带的自旋角动量的大小和方向取决于光束的偏振状态。
光束的偏振态发生了改变，意味着它所携带的自旋角动量有了变化。
一束携带有自旋角动量的光束与物体相互作用，光束的偏振态可能发生变化，相应的角动量也就发生了变化，根据角动量守恒定律，物体的角动量也要同时发生变化，这将导致有一个力矩作用在物体上，使它发生旋转。
这种基于自旋角动量的交换或传递实现的光致旋转，既与入射光的偏振状态有关，也与物体微粒的光学性质有关。
光致旋转是实现微机械马达的有效手段，光致微机械马达可以避免电磁驱动机械马达的操控空间小、附加零件多等缺点，可发展成为新的马达运动的驱动源。
光致旋转可实现微粒的转动操作，特别是双折射晶体微粒在线偏振光束下的定位现象，加强了对粒子转动的可控性，可能会在生物学领域为寻找特异受体结合位点提供方便。
实现光致旋转的方法已发展有很多，初步展示了光致旋转在微纳科技领域的应用前景。
本实验通过改变入射光的偏振性质来改变它携带的自旋角动量，研究光与双折射晶体粒子相互作用产生的光致旋转效应，观察和测量由自旋角动量引起的扭转力矩的大小，方向以及粒子的旋转速度等力学效应。
使学生对光携带角动量的基本属性和光致旋转现象直观的了解和认识。
2．实验目的1 了解光的自旋角动量产生光致旋转现象的原理2 对光致旋转现象有一直观认识3 掌握光镊的具体调节方法3．实验预备知识1 有力学、光学、量子力学基础2 着重复习五种偏振态的特点及波片的作用3 了解光的自旋角动量及其特点4．实验原理4．1自旋角动量的传递与扭力矩按光的量子理论，光是由光子组成的。
大学物理实验报告
实验五、光电效应测普朗克常量普朗克常量是量子力学当中的一个基本常量，它首先由普朗克在研究黑体辐射问题时提出,其值约为s J h ⋅⨯=-3410626069.6，它可以用光电效应法简单而又较准确地求出。
光电效应是这样一种实验现象，当光照射到金属上时，可能激发出金属中的电子。
激发方式主要表现为以下几个特点：1、光电流与光强成正比2、光电效应存在一个阈值频率（或称截止频率），当入射光的频率低于某一阈值频率时，不论光的强度如何，都没有光电子产生3、光电子的动能与光强无关，与入射光的频率成正比4、光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子（延迟时间不超过910-秒），停止光照，即无光电子产生。
传统的电磁理论无法对这些现象对做出解释。
1905年，爱因斯坦借鉴了普朗克在黑体辐射研究中提出的辐射能量不连续观点，并应用于光辐射，提出了“光量子”概念，建立了光电效应的爱因斯坦方程，从而成功地解释了光电效应的各项基本规律，使人们对光的本性认识有了一个飞跃。
1916年密立根用实验验证了爱因斯坦的上述理论，并精确测量了普朗克常数，证实了爱因斯坦方程。
因光电效应等方面的杰出贡献，爱因斯坦与密立根分别于1921年和1923年获得了诺贝尔奖。
实验目的1、 通过实验理解爱因斯坦的光电子理论，了解光电效应的基本规律；2、 掌握用光电管进行光电效应研究的方法；3、 学习对光电管伏安特性曲线的处理方法、并以测定普朗克常数。
实验仪器GD-3型光电效应实验仪（GD Ⅳ型光电效应实验仪）图1 光电效应实验仪实验原理1、 光电效应理论：爱因斯坦认为光在传播时其能量是量子化的，其能量的量子称为光子，每个光子的能量正比于其频率，比例系数为普朗克常量，在与金属中的电子相互作用时，只表现为单个光子：h εν= (1)212h mv W ν=+ (2) 上式称为光电效应的爱因斯坦方程，其中的W 为金属对逃逸电子的束缚作用所作的功，对特定种类的金属来说，是常数。
光电效应实验
光电效应实验光电效应是指光照射到金属表面时，所产生的光电子的现象。
它是光的粒子性质的重要证据之一，对于揭示光的本质、发展量子力学有着重要的意义。
本文将介绍光电效应的实验过程、结果及其在科学研究与实际应用中的意义。
实验设备与材料为了进行光电效应实验，以下设备和材料是必要的：1. 光源：白炽灯、激光器或LED等。
2. 紫外光源：紫外光灯或氘灯。
3. 光电效应实验仪器：包括光电效应仪器、电压源、电流表、电压表等。
4. 金属样品：金属片或金属板。
实验步骤1. 设置实验装置：将光电效应实验仪器与相应的电源和测量仪器连接好。
确保仪器的正常工作状态。
将金属样品放置在光电效应仪器的光照位置。
2. 调整光源：打开光源，根据实验需要，选择适当的光源类型，并调整其亮度或功率，保证光照强度控制在恒定的数值。
3. 调整电压和电流：根据实验要求，设置恒定的电压或直流电流值。
可调节电源的输出，或使用电压源和电流表进行准确控制。
4. 测量电流和电压：当光照射到金属样品上时，使用电流表和电压表测量由光电效应引发的电流和电压变化。
记录这些数据。
5. 改变实验条件：通过改变光照强度、光源类型、金属样品材料或电压，记录并比较不同实验条件下的测量结果。
6. 进一步实验与分析：根据实验需求，可以进行更加复杂的实验，例如测量光电效应的最大动能、研究不同金属样品的光电效应等。
同时，分析实验数据，比较实验结果与理论预期的吻合程度。
实验结果与讨论根据光电效应实验的结果，我们可以得出以下结论和讨论：1. 光电流与光照强度之间的关系：实验结果表明，光电流的大小与光照强度呈正相关关系。
当光照强度增大时，光电流也随之增大。
2. 光电流与金属样品的材料特性有关：使用不同材料的金属样品进行实验，可以观察到光电流的差异。
不同金属材料对光电效应的敏感性有所不同。
3. 光电效应的截止频率：当光照射到金属表面时，存在一个最低频率，称为截止频率，低于该频率的光无法引发光电效应。
光的力学效应-光镊原理及应用 《大学物理》系列讲座
激光与微观粒子的相互作用
原子的激光冷却和捕陷
S. 朱棣文 ，C.C.达诺基，
W.D.菲利浦斯
1997年 诺贝尔物理学奖
原子冷却——不停热运动的原子 速度(v =104~ 105cm/s)慢下来
原子的激光冷却—原理图
六束各向同 性激光辐射 与具有热速 度分布原子 气体冷却
原子的激光冷却—实验装置图
(2) 光镊可以穿过透明封闭系统的表层（细胞膜）操控其内 部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池 内微粒，实现真正的无菌操作。使得光镊有‘隔墙取物’之功 能。 (3)光镊是微小力的探针，类似弹簧，是极其灵敏的力传感 器。
激光斑直径mm会聚到μm量级
b
a
单光束梯度力阱—光镊
1986年，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin等
人发现：单光束高度聚焦的激光可以稳定的捕
获直径数纳米到数十微米的微粒。 并形象的称之为“光镊”。
首次实现了单光束梯度力阱，即三位光学势阱，
单光束梯度力阱—光镊
a
b
F
Fb
O
a
Fa
R <λ/20
所采用的计算方法：
用瑞利散射的理论进行近似计算
光镊原理
光镊原理
C.第三类粒子（ R ~）介观粒子
在实验中，由于尺度与波长相近的粒子易被很牢
固地捕捉。所以我们经常用这样的粒子作为探测
对象，去研究我们感兴趣的微观现象。
但很不幸，在此尺度内(介观领域)，我们缺少与
之相配的理论，这就给我们带来了数值计算上的 困难。
PT 2 R
y
光镊原理
Y
oM
θ0 X
/
i OM O1
光自旋轨道 施特恩 格拉赫效应
光自旋轨道施特恩格拉赫效应1. 前言光自旋轨道、施特恩和格拉赫效应，这三个看似不相干的名词其实都指向了一个共同的核心——量子力学。
量子力学作为现代物理学的重要分支之一，对于我们理解微观世界的规律至关重要。
在本文中，我将带您深入探讨光自旋轨道、施特恩和格拉赫效应，以期让您更加全面地理解这些概念。
2. 光自旋轨道光自旋轨道指的是光子自带的自旋与轨道角动量之间的耦合。
通俗地说，就是光子既有自旋，又有轨道角动量。
这一概念最早由 Dirac 在1928年提出，他指出光子可以通过与原子的相互作用来改变原子的自旋和轨道角动量。
进一步研究发现，光自旋轨道不仅可以解释一些铁磁性和自旋轨道耦合方面的现象，还在量子信息领域有着重要的应用价值。
光自旋轨道的研究不仅丰富了我们对光子本身的认识，也为光电子学和量子信息学的发展提供了新的思路。
3. 施特恩施特恩是指德国物理学家奥托·施特恩。
他是因在施特恩－盖拉赫实验中发现了电子的自旋而成为著名的物理学家。
施特恩在实验中使用银原子进行研究，发现了银原子的电子自旋可以存在两种取向，这一发现引起了物理学界的广泛关注，并为量子力学的发展提供了重要的实验依据。
施特恩的研究成果也为我们理解原子和分子的微观结构提供了重要的实验依据，为后来的原子物理和量子力学的研究打下了坚实的基础。
4. 格拉赫效应格拉赫效应是施特恩－盖拉赫实验中观察到的现象。
在该实验中，施特恩和盖拉赫分别使用了一种磁场和一种电场来研究银原子的光谱。
他们观察到，在外加电场的作用下，原子光谱线的形状和位置都产生了变化，这被称为格拉赫效应。
这个发现证实了光子具有自旋，并且为后来的光子自旋轨道的研究提供了重要的实验依据。
格拉赫效应的发现也为我们理解原子和分子的能级结构提供了重要的实验依据，为量子力学的发展做出了重要的贡献。
5. 总结与展望通过以上的探讨，我们不难发现光自旋轨道、施特恩和格拉赫效应这三个概念之间其实是有着内在联系的。
大学物理实验：光电效应(一)2024
大学物理实验：光电效应（一）引言概述：光电效应是光与物质相互作用的一种重要现象，也是量子力学的基础实验之一。
通过光电效应实验，我们可以研究光的波粒二象性以及电子的性质。
本文将介绍大学物理实验中关于光电效应的基本原理和实验内容。
正文：一、光电效应的基本原理1. 光电效应的发现和基本特征2. 光电效应的波粒二象性解释3. 光子能量与光电子动能的关系4. 阈光频率和光电子最大动能的关系5. 光电子统计分布和光强的关系二、光电效应实验装置与操作步骤1. 实验装置的主要组成部分2. 实验装置的校准与调试3. 光源的选择与控制4. 光电管的选择与使用5. 测量光电子动能的方法与步骤三、实验中的关键参数与测量误差1. 光电管的阴极材料和工作电压的选择2. 光电管暗电流和光电流的测量3. 光电管引出电路的阻抗匹配4. 光强的测量与控制5. 其他可能影响实验结果的因素的考虑和排除四、实验中的典型数据处理方法1. 绘制光电流与光强之间的关系曲线2. 求取光电子最大动能与光频的关系3. 拟合得到阈光频率和电子逸出功4. 分析与比较实验结果的合理性5. 讨论实验中的误差来源及改进措施五、实验结果的讨论与应用1. 光电效应实验结果的验证与分析2. 光电子最大动能的相关应用3. 光电效应在太阳能电池中的应用4. 光电效应与其他物理现象的关联5. 光电效应在量子力学研究中的重要性总结：光电效应是大学物理实验中重要的一部分，通过实验我们可以深入了解光的性质以及电子的行为。
本文介绍了光电效应的基本原理、实验装置与操作步骤、关键参数与测量误差、典型数据处理方法，以及实验结果的讨论与应用。
通过实验的研究，我们不仅可以加深对光电效应的理解，还可以应用到相关领域中，推动科学的发展。
10个物理演示实验的原理与现象
10个物理演示实验的原理与现象1.牛顿摆实验：原理是通过将一质点连接到一根不可伸长、不可弯曲且质量可以忽略不计的绳子上，使其悬挂于一固定点并允许自由摆动，演示了周期性运动和重力作用下的力学波动现象。
2.杨氏模量实验：原理是通过悬挂一个平衡的弹簧，将不同质量的挂物悬挂在弹簧下方，并测量弹簧的伸长量，根据胡克定律推导出弹性模量的测量原理，演示了杨氏模量与弹性形变的关系。
3.光的折射实验：原理是当光从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的光速不同，光线会发生折射现象。
根据斯涅尔定律，光线在折射面上入射角和折射角之间满足一定的关系，演示了光在不同介质中传播时的行为。
4.平面镜成像实验：原理是当光线以一定角度入射到平面镜上时，会发生反射现象，并形成一个虚像。
根据镜面法则，入射角和反射角相等，通过平面镜成像实验可以观察到光线的反射特性和虚像的形成。
5.大气压力实验：原理是利用大气压力对液体的压强进行实验观测。
将一个杯装的开放水银柱与一个封闭的水银柱相连，利用大气压力对水银柱施加的压力，观察水银柱的高度变化。
通过这一实验可以测量大气压力并验证大气压力的存在。
6.磁体力实验：原理是在一个磁场中放置一个导体，当导体中有电流通过时，导体会受到磁场力的作用。
根据洛伦兹力定律，当导体与磁场垂直时，磁场会对导体施加一个力，通过这一实验可以观察到电磁力的作用。
7.电容器实验：原理是利用电容器的原理，通过将两块金属板分别连接到正负电极上，形成一个电容器。
当给电容器充电时，电荷会在两个金属板之间储存，根据库仑定律，电容器中的电荷与电压之间满足一定的关系，通过这一实验可以观察到电容器的充放电现象。
8.磁感线实验：原理是将磁铁放置在纸上并撒上铁粉，当磁铁产生磁场时，铁粉会被磁场激活并排列成一定的形状，形成磁力线。
通过这一实验可以直观地观察到磁场的分布和磁感线的形状。
9.声音共振实验：原理是当一个物体在特定频率下受到振动时，另一个物体会因为频率的共振而发生共振现象。
光电效应实验的四大实验现象
光电效应实验的四大实验现象以光电效应实验的四大实验现象为标题，我们将详细介绍这些实验现象及其相关知识。
光电效应是指当光照射到金属表面时，金属会发射出电子的现象。
这一现象的实验研究对于量子力学的发展起到了重要的推动作用。
一、光电效应的第一大实验现象：光电流的存在在光电效应实验中，我们可以观察到一种称为光电流的电流现象。
当光照射到金属表面时，金属会发射出电子，这些电子在电场的作用下形成电流。
实验中可以使用电流计来测量这一光电流。
通过改变光的强度和频率，我们可以发现光电流与光的强度和频率之间存在着一定的关系。
二、光电效应的第二大实验现象：阈值频率在光电效应实验中，我们发现只有当光的频率超过一定的阈值频率时，金属才会发生光电效应，即发射出电子。
这个阈值频率与金属的性质有关，不同金属的阈值频率不同。
实验中可以通过改变光的频率，观察到金属发射电子的变化情况。
这一实验现象表明光的频率对光电效应起到了重要的影响。
三、光电效应的第三大实验现象：光电子能量与光的频率的关系在光电效应实验中，我们可以通过测量光电子的最大动能来研究光电子的能量。
实验中我们发现，光电子的最大动能与光的频率呈线性关系，即光的频率越高，光电子的最大动能越大。
这一实验结果与经典物理学的理论不符，而是符合了爱因斯坦提出的光量子假设。
光子的能量与光的频率成正比关系，光电子的最大动能取决于吸收光子能量的能力。
四、光电效应的第四大实验现象：光电子的速度分布在光电效应实验中，我们可以通过测量光电子的速度分布来研究光电子的运动情况。
实验中我们发现，光电子的速度分布与光的频率和强度有关。
当光的频率超过阈值频率时，光电子的速度分布呈连续的形态，即速度范围从零到最大值。
而当光的频率低于阈值频率时，光电子的速度分布呈离散的形态，只有在特定的速度范围内才能观察到光电子。
这一实验现象进一步验证了光电效应与光子假设的一致性。
光电效应实验的四大实验现象包括光电流的存在、阈值频率、光电子能量与光的频率的关系和光电子的速度分布。
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光镊--一种特殊的光场形成的光势阱,
它是用光形成的镊子!
光镊具有机械镊子抓取物体的功能,
是类比机械镊子形象的称呼
光镊/光学镊子/光学势阱/ 单光学梯度力势阱
光镊的特点 研究个体行为的工具！！！ 应用都是基于对单个微粒的捕获与操控。 自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群 体效应，因此，解释宏观自然现象就需要获取
实验目的:加深对光具有动量基本属性的认识 ，感知光的力学效应，了解光镊技术。 (预备知识,实验预习和预习效果检查) 实验的特殊性—如何进入角色 一.实验装置 二.实验内容 三. 思考题-四. 附录
实验预习和准备
实验基础：光学，显微镜的使用,
首先阅读实验讲义，理解实验目的和原理；了解光 学微操作仪的功能和仪器的操作要领，希望在具体的 实验研究工作中注意掌握操作要领。 在实验中要用心感受光镊的力学效应，仔细观察实 验现象, 体会显微操作技巧，领略光镊技术巧夺天工 之神奇,将有助于你把握光镊技术和顺利完成实验。
在我们视野中，研究者提供了极大的方便。
光镊系统实时显示，完整保留活体细胞和大
分子生命活动，能反应体系作用过程的特性是
其它方法所不具备的。
光镊的特点 光镊是微小力的探针，类似弹簧。
光镊能够操控粒子，实际上是光镊向微粒施加
了作用力。 光Байду номын сангаас能实时感应微小的负荷(fN)，是
极其灵敏的力传感器。
光镊是揭示生命过程中物质输运、能量转换和
光镊—基本操控方法
直接操控-微米
间接操控-纳米
光镊操纵微粒的尺度：纳米-微米
1nm 1m 1mm
原子、分子尺度 ATM STM
纳微尺度 光镊
宏观物体 一般机械
1nm 1m 1mm
光镊力有多大 ？
fN（10-15）-pN（10-12）
1 fN/人 X60亿 -- 1根发丝
---细胞，单分子间的相互作用力
国际研究成果举例
Nature 生物大分子 精细操作 双光镊对肌动蛋白 进行打结.
Science
光镊控制粘有肌动蛋白的小球接 触微管,研究其运动特性.
国际研究成果举例
光
阱
微 球 抗生素蛋白 生物素
电介质 小球
D N A -壳 体 复 合 物 抗 体 蛋 白G
微
球
光 阱 微 针
移液器
( A )实 验 装 置 ( B ) 恒 定 里 反 馈模式
光的力学效应研究进入了一个全新的时代！
光的力学效应的应用：
1 光与微观粒子的相互作用
---原子/分子
2 光与微小宏观粒子的相互作用
---纳米/微米粒子
3 光与宏观物体的相互作用
---核聚变/发射微小卫星
1.光与微观粒子的相互作用
原子的激光冷却和捕陷--1997年 诺贝尔物理学奖 S. 朱棣文 C,C,达诺基 W,D,菲利浦斯 玻色－爱因斯坦凝聚的研究--2001年 诺贝尔物理学奖 C.E.维曼 E.A.康奈尔 W.克特勒
激光 诱导转 基因
光镊的应用
教学 研究 分散 体系的 研究
细胞膜弹性的测量
光镊研究细胞膜实验方法
光镊牵拉血红细胞膜/形状由椭圆变成橄榄型
单细胞融合
烟草细胞 原生质体的融合
光镊操控单细胞融合实验方法
光镊分选单条染色体
水稻细胞 --- 荧光标记 ---- 细胞残核 --- 条染色体群
光镊操控单粒子
开展光的力学效应的教学目的：
完善知识结构培养符合时代需要的人才 科学技术发展的需要普及和掌握新技术 物理学领域—理解光的力学效应 对光的本质的认知和研究 非物理学领域— 了解光镊技术和特点 学习光镊仪器的操作和使用 开拓光镊技术的应用 传播知识,宣传新技术,促进科学技术发展！
四 光的线性动量实验
为什么我们感受不到光的压力？
单个光子动量很小: 烈日:1达因/平方米是标准大气压的亿万分之一 普通光源的力学效应微乎其微！ 光子密度低，方向性差！ 实验观测和测量极其困难！
普通光源
P ~ 10
h
27
kg.m / s
1960年激光问世：
-----高的光子流密度的激光束 方向性好，高亮度 光的力学效应能够得到充分展示 10mw的 He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！ 会聚光束的焦点处 1 微米小球受到的力可达10-6牛顿。
光镊操控的原理和方法 操控物体并使之运动---具备能够产生相对的运动的条件 本实验设计:光镊静止, 光镊操控细胞所在环境运动
光捕获
方法: 显微镜平台以速度V带动样品池运动, 被光镊捕获的粒子与环境产生相对运动
光镊力的测量原理和方法
流体力学方法Stokes公式:
F 6 R
( C )无 反 馈 模式
光镊研究DNA的缩合及解开
光镊研究DNA折叠动力学过程 研究
光镊已成为研究DNA动力学的不可或缺的工具
光镊的应用研究/中国科学技术大学科大
单个活 力精细 胞研究 细胞膜 弹性的 测量 纳米 生物学的 研究 抗体抗 原结合 强度 微粒 的空间 排布
原生 质体的 融合 分选 单条染 色体
实验前的心理准备 光镊微操作仪是用于对微小的宏观粒子进行操控的设备. 一个人眼看不见的细胞通过光学放大呈现在我们眼前，本 实验带领我们进入一个未知的微观世界！
我们要用光镊来搬运这些微小的细胞，希望它们能够按 照我们的意志运动，我们必须具备操控精度达微米级的能 力。操作是极其精致的！实验具有挑战性！ 微米级的操控需要良好的稳定环境，工作时请不要磕碰 防震台，心静手稳 ，动作轻巧。用你的智慧和心灵把握光 镊这个无形的机械手，你将能够自如的遨游在微观世界！
单光束梯度力光场
光镊操控1微米粒子
三维空间 X-Y平面 Z纵方向 悬浮微粒
光镊– 光陷阱--
光镊操控微粒的现象 尤如宇宙黑洞或吸尘器 将微粒吸入无底的深渊。 阱域、阱深和阱力 对于微小的粒子/细胞,几十纳米-几十微米，光的力学效应 还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速 度/加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。
运动-----位移/速度， -----力，大小/方向， -----结合/分离 -----相互作用 特性-----结构和功能 力学量是表征生命过程的重要参量！ 单分子水平上探索生命运动的规律！
国际前沿发展趋势
光镊技术更多的是用于研究生物大分子 十几年来已突破了许多“禁区” 人类首次实际测量到由化学能转变成机械 能的原动力—肌肉运动的原始动力过程-驱动蛋白分子吸收一个ATP能量后的分布 运动状态，运动步长为8纳米。
单个微粒个体行为信息。能够实施对单个微粒
的操控正是研究个体行为的首要条件。
光镊的特点 对单个活体生物以非接触的遥控方式，实施无损 无菌操控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。 生命科学家可以挑选所需要的特定活细胞来观察 它的个体行为，研究特定的细胞间相互作用的基本 过程。光镊提供了对生命活动的基本过程的研究所 具有的高度选择性是传统研究方法不可比拟的。
光镊的特点 光具有的穿透特性，使得光镊有‘隔墙取物’ 之功能。即光镊可以无阻挡越过屏障，穿过透明 封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细 胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控 池内微粒，实现真正的无菌操作。 机械镊子望尘莫及！
光镊系统的特点 光镊操控的可视性。光镊使细胞悬浮于液体
中所指定的位置，其四周没有遮挡，完全暴露
光的力学效应-系列实验
李自达
2011年.4月.7日
光的力学效应？ 光有力量吗？
光子与物体的相互作用
光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体 相互作用时彼此交换能量和动量.
光子能量：
E hv
光子动量：
-----光的动量是光的基本属性之一
光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人 类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入.
P
h
光与物质相互作用—光的效应
光的效应:
在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象
光的热学效应:
光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象
光的力学效应:
光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力 或力矩,物体发生位移,速度和角度的变化. —难以察觉
(光电效应,磁光效应,光化学效应, …)
本讲 光的力学效应 主要内容安排:
一. 光的力学效应－历史与未来 1. 光-动量-光压-力 2. 普通光和激光的力学效应 3. 激光的力学效应 (微观,界观,宏观) 4.光镊--光的力学效应的典型 二. 光镊技术 1. 原理-单光束梯度力光阱 2. 特点和功能 3. 应用列举 三.创建光的力学效应系列实验的意义 1. 线性动量 2. 角动量 四.光的线性动量实验 1. 实验预习和基础 2. 实验内容 五.结束语
微米粒子稳定的空间排布
48个2微米聚苯乙烯小球组合而成
平面构图
立体构建
侧面观察，由四个 小球垒成支撑柱。
光镊在三维空间排布微粒
分散体系中微粒的 聚集通常都是随机的。
用逐个操控单个粒子的
方法。按设定要求排布 出具有稳定空间结构的 粒子聚集体。
纳微器件，微机械，生物器件的组装和表征
建立了光镊研究单分子力学行为的实验方法。
列别捷夫扭秤实验装置
创建光的力学效应实验的意义
普通光源光的力学性质的研究受到限制。 历史以来物理教科书上对光子的动量这一重要属性 仅作简略的知识介绍。 从对光的认知和物理教学体系来讲这是一个非常大 的缺憾，是知识的空白点。
光镊是光的力学效应的典范
光镊是利用光与物质相互作用时产生的力 学效应这一原理而实现的。 光镊的发明为直观生动地演示光的力学效 应提供了极好的手段。 作 者 基 于 863 科 研 成 果 ， 利 用 光 镊 技 术 1999 年首次开设了直观演示和测量光的力学 效应的实验。